Nicio sferă a activității umane nu poate face fără științe exacte. Și oricât de complexe sunt relațiile umane, ele se reduc și la aceste legi. sugerează amintirea legilor fizicii pe care o persoană le întâlnește și le experimentează în fiecare zi a vieții sale.



Cea mai simplă, dar cea mai importantă lege este Legea conservării și transformării energiei.

Energia oricărui sistem închis rămâne constantă pentru toate procesele care au loc în sistem. Și tu și cu mine ne aflăm într-un astfel de sistem închis. Acestea. cu cât dăm, cu atât vom primi. Dacă vrem să primim ceva, trebuie să dăm la fel de mult înainte. Si nimic altceva!

Și noi, bineînțeles, vrem să obținem un salariu mare fără a fi nevoie să mergem la muncă. Uneori se creează iluzia că „proștii sunt norocoși” și fericirea cade pe capul multor oameni. Citiți orice basm. Eroii trebuie să depășească în mod constant dificultăți enorme! Fie inota in apa rece, fie in apa clocotita.

Bărbații atrag atenția femeilor prin curte. Femeile, la rândul lor, au grijă de acești bărbați și copii. Și așa mai departe. Așa că, dacă vrei să primești ceva, fă-ți osteneala să-l oferi mai întâi.

Forța de acțiune este egală cu forța de reacție.

Această lege a fizicii o reflectă, în principiu, pe cea anterioară. Dacă o persoană a comis un act negativ – conștient sau nu – și apoi a primit un răspuns, de exemplu. opoziţie. Uneori cauza și efectul sunt separate în timp și este posibil să nu înțelegeți imediat în ce direcție bate vântul. Principalul lucru pe care trebuie să-l amintim este că nu se întâmplă nimic.

Legea efectului de pârghie.

Arhimede a exclamat: „ Dă-mi un punct de sprijin și voi muta Pământul!" Orice greutate poate fi mutată dacă alegeți pârghia potrivită. Ar trebui să estimați întotdeauna cât timp va fi nevoie de o pârghie pentru a atinge acest sau acel obiectiv și să trageți o concluzie pentru dvs., să stabiliți priorități: trebuie să depuneți atât de mult efort pentru a crea pârghia potrivită și pentru a muta această greutate sau este mai ușor să lăsați-l în pace și faceți alte activități.

Regula gimlet.

Regula este că indică direcția camp magnetic. Această regulă răspunde la întrebarea eternă: cine este de vină? Și indică faptul că noi înșine suntem de vină pentru tot ceea ce ni se întâmplă. Oricât de ofensator ar fi, oricât de dificil ar fi, oricât de nedrept ar părea la prima vedere, trebuie să fim întotdeauna conștienți că noi înșine am fost cauza în primul rând.

Legea cuiului.

Când o persoană vrea să bată un cui, nu bate undeva lângă cui, ci bate exact în capul cuiului. Dar unghiile în sine nu se urcă în pereți. Ar trebui să alegeți întotdeauna ciocanul potrivit pentru a evita spargerea cuiului cu un baros. Și atunci când marcați, trebuie să calculați lovitura, astfel încât capul să nu se îndoaie. Păstrați-o simplu, aveți grijă unul de celălalt. Învață să te gândești la vecinul tău.

Și în sfârșit, legea Entropiei.

Entropia este o măsură a dezordinei unui sistem. Cu alte cuvinte, cu cât este mai mult haos în sistem, cu atât este mai mare entropia. O formulare mai precisă: în timpul proceselor spontane care au loc în sisteme, entropia crește întotdeauna. De regulă, toate procesele spontane sunt ireversibile. Acestea duc la schimbări reale în sistem și este imposibil să-l readuceți la starea inițială fără a cheltui energie. În acest caz, este imposibil să repeți exact (100%) starea inițială.

Pentru a înțelege mai bine despre ce fel de ordine și dezordine vorbim, să facem un experiment. Turnați pelete albe și negre într-un borcan de sticlă. Mai întâi le vom adăuga pe cele negre, apoi pe cele albe. Peleții vor fi aranjați în două straturi: negru în partea de jos, alb în partea de sus - totul este în ordine. Apoi agitați borcanul de mai multe ori. Peletele vor fi amestecate uniform. Și oricât de mult vom agita apoi acest borcan, este puțin probabil să ne putem asigura că peleții sunt din nou aranjați în două straturi. Iată-l, entropia în acțiune!

Se consideră ordonată starea în care peletele au fost dispuse în două straturi. Starea în care peletele sunt amestecate uniform este considerată dezordonată. Este nevoie de aproape un miracol pentru a reveni la o stare ordonată! Sau lucru repetat și minuțios cu peleți. Și nu este nevoie de aproape niciun efort pentru a face ravagii într-o bancă.

Roata de masina. Când este pompat, are un exces de energie liberă. Roata se poate mișca, ceea ce înseamnă că funcționează. Aceasta este ordinea. Ce se întâmplă dacă spargi o anvelopă? Presiunea din ea va scădea, energia liberă va „dispără” în mediu (se va disipa), iar o astfel de roată nu va mai putea funcționa. Acesta este haos. Pentru a readuce sistemul la starea inițială, de ex. Pentru a pune lucrurile în ordine, trebuie să faceți multă muncă: etanșați camera de aer, montați roata, umflați-o etc., după care este din nou un lucru necesar care poate fi util.

Căldura este transferată de la un corp fierbinte la un corp rece și nu invers. Procesul invers este teoretic posibil, dar practic nimeni nu se va angaja să facă acest lucru, deoarece va necesita eforturi colosale, instalații și echipamente speciale.

De asemenea, în societate. Oamenii îmbătrânesc. Casele se prăbușesc. Stâncile se scufundă în mare. Galaxiile se împrăștie. Fiecare realitate din jurul nostru tinde spontan spre dezordine.

Cu toate acestea, oamenii vorbesc adesea despre dezordine ca despre libertate: „ Nu, nu vrem ordine! Dă-ne atâta libertate încât fiecare să poată face ce vrea!„Dar când fiecare face ce vrea, aceasta nu este libertate – este haos. În zilele noastre, mulți oameni laudă dezordinea, promovează anarhia - într-un cuvânt, tot ceea ce distruge și desparte. Dar libertatea nu este în haos, libertatea este tocmai în ordine.

Organizându-și viața, o persoană își creează o sursă de energie gratuită, pe care apoi o folosește pentru a-și implementa planurile: muncă, studiu, recreere, creativitate, sport etc. – cu alte cuvinte, se opune entropiei. Altfel, cum am fi putut acumula atâta bogăție materială în ultimii 250 de ani?!

Entropia este o măsură a dezordinei, o măsură a disipării ireversibile a energiei. Cu cât entropia este mai mare, cu atât dezordinea este mai mare. O casă în care nu locuiește nimeni se strică. Fierul ruginește în timp și mașina îmbătrânește. Relațiile pe care nimănui nu-i pasă să le mențină sunt distruse. La fel este și orice altceva în viața noastră, absolut totul!

Starea naturală a naturii nu este echilibrul, ci o creștere a entropiei. Această lege funcționează inexorabil în viața unei persoane. El nu trebuie să facă nimic pentru ca entropia sa să crească; se întâmplă spontan, conform legii naturii. Pentru a reduce entropia (dezordinea), trebuie depus mult efort. Acesta este un fel de palmă pentru oameni prost de pozitivi (nu curge apă sub o piatră mincinoasă), dintre care sunt destul de multe!

Menținerea succesului necesită efort constant. Dacă nu ne dezvoltăm, atunci ne degradăm. Și pentru a păstra ceea ce aveam înainte, trebuie să facem mai mult astăzi decât am făcut ieri. Lucrurile pot fi păstrate în ordine și chiar îmbunătățite: dacă vopseaua de pe casă s-a decolorat, poate fi vopsită din nou, și chiar mai frumoasă decât înainte.

Oamenii trebuie să încerce să „pacifice” comportamentul distructiv voluntar care predomină în lumea modernă peste tot, încercați să reduceți starea de haos, pe care am accelerat-o până la limite enorme. Și aceasta este o lege fizică, nu doar discuții despre depresie și gândire negativă. Totul fie se dezvoltă, fie se deteriorează.

Un organism viu se naște, se dezvoltă și moare și nimeni nu a observat vreodată că după moarte prinde viață, devine mai tânăr și se întoarce în sămânță sau pântece. Când se spune că trecutul nu se întoarce niciodată, atunci, desigur, se referă, în primul rând, la aceste fenomene de viață. Dezvoltarea organismelor stabilește direcția pozitivă a săgeții timpului, iar schimbarea de la o stare a sistemului la alta are loc întotdeauna în aceeași direcție pentru toate procesele, fără excepție.

Valerian Chupin

Sursa de informare: Ceaikovski.News


Comentarii (3)

Bogatie societate modernă este în creștere și va crește într-o măsură din ce în ce mai mare, în primul rând prin muncă universală. Capitalul industrial a fost primul forma istorica producția socială, când munca universală a început să fie exploatată intens. Și mai întâi, cel pe care l-a primit gratuit. Știința, așa cum a observat Marx, nu costă nimic capitalului. Într-adevăr, niciun capitalist nu a plătit remunerație lui Arhimede, Cardano, Galileo, Huygens sau Newton pentru uz practic ideile lor. Dar capitalul industrial la scară de masă este cel care începe să exploateze tehnologia mecanică și, prin urmare, munca generală întruchipată în ea. Marx K, Engels F. Soch., vol. 25, partea 1, p. 116.

Sesiunea se apropie și este timpul să trecem de la teorie la practică. În weekend, ne-am așezat și ne-am gândit că mulți studenți ar beneficia de o colecție de formule de fizică de bază la îndemână. Formule uscate cu explicație: scurte, concise, nimic de prisos. Un lucru foarte util atunci când rezolvi probleme, știi. Și în timpul unui examen, când exact ceea ce a fost memorat cu o zi înainte ți-ar putea „sări din cap”, o astfel de selecție va servi unui scop excelent.

Cele mai multe probleme sunt puse de obicei în cele trei secțiuni cele mai populare ale fizicii. Acest Mecanica, termodinamicaȘi Fizica moleculară, electricitate. Să le luăm!

Formule de bază în fizică dinamică, cinematică, statică

Să începem cu cel mai simplu. Cea mai bună mișcare favorită dreaptă și uniformă.

Formule cinematice:

Desigur, să nu uităm de mișcarea într-un cerc și apoi vom trece la dinamică și legile lui Newton.

După dinamică, este timpul să luăm în considerare condițiile de echilibru ale corpurilor și lichidelor, adică. statica si hidrostatica

Acum vă prezentăm formulele de bază pe tema „Munca și energie”. Unde am fi noi fără ei?


Formule de bază ale fizicii moleculare și termodinamicii

Să terminăm secțiunea de mecanică cu formule pentru oscilații și unde și să trecem la fizica moleculara si termodinamica.

Factorul de eficiență, legea Gay-Lussac, ecuația Clapeyron-Mendeleev - toate aceste formule dragi inimii sunt adunate mai jos.

Apropo! Acum există o reducere pentru toți cititorii noștri 10% pe orice tip de lucrare.


Formule de bază în fizică: electricitate

Este timpul să trecem la electricitate, deși este mai puțin populară decât termodinamica. Să începem cu electrostatică.

Și, în ritmul tobei, încheiem cu formule pentru legea lui Ohm, inducția electromagnetică și oscilațiile electromagnetice.

Asta e tot. Desigur, s-ar putea cita un întreg munte de formule, dar acest lucru nu este de nici un folos. Când există prea multe formule, poți să te confuzi cu ușurință și chiar să-ți topești creierul. Sperăm că cheat sheet-ul nostru de formule de fizică de bază vă va ajuta să vă rezolvați problemele preferate mai rapid și mai eficient. Și dacă doriți să clarificați ceva sau nu ați găsit formula potrivită: întrebați experții serviciu pentru studenți. Autorii noștri păstrează în cap sute de formule și sparg probleme precum nucile. Contactează-ne și în curând orice sarcină va depinde de tine.

1.1. Adnotare. Legile teoriei relativității și mecanicii cuantice, conform cărora au loc mișcarea și interacțiunea particulelor elementare de materie, predetermina formarea și apariția modelelor unei game largi de fenomene studiate de diferite științe ale naturii. Aceste legi stau la baza modernului tehnologie avansatași determină în mare măsură starea și dezvoltarea civilizației noastre. Prin urmare, familiarizarea cu elementele de bază ale fizicii fundamentale este necesară nu numai pentru elevi, ci și pentru școlari. Posesia activă a cunoștințelor de bază despre structura lumii este necesară pentru o persoană care intră în viață pentru a-și găsi locul în această lume și pentru a-și continua educația cu succes.

1.2. Care este principala dificultate a acestui raport? Se adresează atât specialiștilor din domeniul fizicii particulelor, cât și unui public mult mai larg: fizicieni non-particule, matematicieni, chimiști, biologi, energeticieni, economiști, filozofi, lingviști,... Pentru a fi suficient de precis, trebuie să folosesc termeni și formule ale fizicii fundamentale. Pentru a fi înțeles, trebuie să explic în mod constant acești termeni și formule. Dacă fizica particulelor nu este specialitatea ta, citește mai întâi numai acele secțiuni ale căror titluri nu sunt marcate cu asteriscuri. Apoi încercați să citiți secțiuni cu un asterisc *, două ** și, în final, trei ***. Am reușit să vorbesc despre majoritatea secțiunilor fără stele în timpul reportajului, dar nu a mai fost timp pentru restul.

1.3. Fizica particulelor elementare. Fizica particulelor este fundamentul tuturor științelor naturii. Ea învață particule minuscule materia și modelele de bază ale mișcărilor și interacțiunilor lor. În cele din urmă, aceste modele sunt cele care determină comportamentul tuturor obiectelor de pe Pământ și de pe cer. Fizica particulelor se ocupă de concepte fundamentale precum spațiu și timp; materie; energie, impuls și masă; a învârti. (Majoritatea cititorilor au o idee despre spațiu și timp, poate că au auzit despre legătura dintre masă și energie și nu au idee ce legătură are impulsul cu aceasta și este puțin probabil să realizeze cel mai important rol al spinului în fizică. Chiar și între ei nu se pot pune încă de acord cu privire la cum să numim experți în materie.) Fizica particulelor a fost creată în secolul al XX-lea. Crearea sa este indisolubil legată de crearea a două cele mai mari teorii din istoria omenirii: teoria relativității și mecanica cuantică. Constantele cheie ale acestor teorii sunt viteza luminii cși constanta lui Planck h.

1.4. Teoria relativitatii. Teoria specială a relativității, care a apărut la începutul secolului al XX-lea, a completat sinteza unui număr de științe care au studiat fenomene clasice precum electricitatea, magnetismul și optica, creând mecanica la viteze ale corpurilor comparabile cu viteza luminii. (Mecanica clasică non-relativista a lui Newton s-a ocupat de viteze v<<c.) Apoi, în 1915, a fost creată teoria generală a relativității, care a fost menită să descrie interacțiunile gravitaționale, ținând cont de viteza finită a luminii. c.

1.5. Mecanica cuantică. Mecanica cuantică, creată în anii 1920, a explicat structura și proprietățile atomilor pe baza proprietăților duble undă-particulă ale electronilor. Ea a explicat o gamă largă de fenomene chimice asociate cu interacțiunea atomilor și moleculelor. Și a făcut posibilă descrierea proceselor de emisie și absorbție a luminii de către acestea. Înțelegeți informațiile pe care ni le oferă lumina Soarelui și a stelelor.

1.6. Teoria câmpului cuantic. Combinația dintre teoria relativității și mecanica cuantică a condus la crearea teoriei cuantice a câmpurilor, care face posibilă descrierea celor mai importante proprietăți ale materiei cu un grad ridicat de precizie. Teoria cuantică a câmpului este, desigur, prea complexă pentru a fi explicată elevilor. Dar la mijlocul secolului al XX-lea a apărut limbajul vizual al diagramelor Feynman, care simplifică radical înțelegerea multor aspecte ale teoriei câmpurilor cuantice. Unul dintre obiectivele principale ale acestei discuții este de a arăta cum diagramele Feynman pot fi folosite pentru a înțelege cu ușurință o gamă largă de fenomene. În același timp, mă voi opri mai detaliat asupra problemelor care nu sunt cunoscute de toți experții în teoria câmpurilor cuantice (de exemplu, despre legătura dintre gravitația clasică și cea cuantică) și voi sublinia doar pe scurt problemele care sunt discutate pe larg în literatura stiintifica populara.

1.7. Identitatea particulelor elementare. Particulele elementare sunt cele mai mici particule indivizibile de materie din care este construită întreaga lume. Cea mai uimitoare proprietate care distinge aceste particule de particulele obișnuite non-elementare, de exemplu, boabe de nisip sau margele, este că toate particulele elementare de același tip, de exemplu, toți electronii din Univers sunt absolut (!) la fel - identic. Și, în consecință, cele mai simple stări legate - atomii și cele mai simple molecule - sunt identice unele cu altele.

1.8. Șase particule elementare. Pentru a înțelege procesele de bază care au loc pe Pământ și pe Soare, ca primă aproximare este suficient să înțelegem procesele la care participă șase particule: electroni. e, proton p, neutron nși neutrinul electron ν e , precum și fotonul γ și gravitonul g̃. Primele patru particule au un spin de 1/2, un foton are un spin de 1, iar un graviton are un spin de 2. (Particulele cu spin întreg se numesc bosoni, particulele cu spin semiîntreg sunt numite fermioni. Spinul va fi discutat mai detaliat mai jos.) Protonii și neutronii sunt de obicei numiți nucleoni deoarece nucleele atomice sunt construite din ei, iar nucleus în engleză este nucleus. Electronii și neutrinii se numesc leptoni. Nu au interacțiuni nucleare puternice.

Datorită interacțiunii foarte slabe a gravitonilor, este imposibil să se observe gravitonii individuali, dar prin aceste particule se realizează gravitația în natură. La fel cum interacțiunile electromagnetice sunt efectuate prin fotoni.

1.9. Antiparticule. Electronul, protonul și neutronul au așa-numitele antiparticule: pozitron, antiproton și antineutron. Ele nu fac parte din materia obișnuită, deoarece atunci când întâlnesc particulele corespunzătoare, ele intră în reacții de distrugere reciprocă - anihilare. Astfel, un electron și un pozitron se anihilează în doi sau trei fotoni. Fotonul și gravitonul sunt particule cu adevărat neutre: ele coincid cu antiparticulele lor. Încă nu se știe dacă neutrino este o particulă cu adevărat neutră.

1.10. Nucleoni și cuarci. La mijlocul secolului al XX-lea, s-a dovedit că nucleonii înșiși constau din mai multe particule elementare - două tipuri de quarci, care denotă uȘi d: p = uud, n = ddu. Interacțiunea dintre quarci este realizată de gluoni. Antinucleonii sunt formați din antiquarci.

1.11. Trei generații de fermioni.Împreună cu u, d, e, ν e alte două grupuri (sau, după cum se spune, generații) de quarci și leptoni au fost descoperite și studiate: c, s, μ, ν μ și t, b, τ , ν τ . Aceste particule nu sunt incluse în compoziția materiei obișnuite, deoarece sunt instabile și se dezintegrează rapid în particule mai ușoare de prima generație. Dar au jucat un rol important în primele momente ale existenței Universului.

Pentru o înțelegere și mai completă și mai profundă a naturii, avem nevoie de și mai multe particule cu proprietăți și mai neobișnuite. Dar poate că în viitor toată această diversitate se va reduce la câteva esențe simple și frumoase.

1.12. Hadronii. O familie mare de particule constând din quarci și/sau antiquarci și gluoni se numesc hadroni. Toți hadronii, cu excepția nucleonilor, sunt instabili și, prin urmare, nu fac parte din materia obișnuită.

Adesea hadronii sunt, de asemenea, clasificați ca particule elementare, deoarece nu pot fi descompusi în quarci liberi și gluoni. (Am făcut același lucru, clasificând protonul și neutronul ca primele șase particule elementare.) Dacă toți hadronii sunt considerați elementari, atunci numărul de particule elementare va fi măsurat în sute.

1.13. Model standard și patru tipuri de interacțiuni. După cum va fi explicat mai jos, particulele elementare enumerate mai sus permit, în cadrul așa-numitului „ Model standard particule elementare” pentru a descrie toate procesele cunoscute până acum care au loc în natură ca rezultat al interacțiunilor gravitaționale, electromagnetice, slabe și puternice. Dar pentru a înțelege cum funcționează primele două dintre ele, sunt suficiente patru particule: foton, graviton, electron și proton. Mai mult, faptul că un proton este format din u- Și d-cuarcii si gluonii se dovedesc a fi nesemnificativi. Desigur, fără interacțiuni slabe și puternice este imposibil să înțelegem nici cum sunt structurați nucleele atomice, fie cum funcționează Soarele nostru. Dar este posibil să înțelegem cum sunt structurate învelișurile atomice, care determină toate proprietățile chimice ale elementelor, cum funcționează electricitatea și cum sunt structurate galaxiile.

1.14. Dincolo de cunoscut.Știm deja astăzi că particulele și interacțiunile Modelului Standard nu epuizează comorile naturii.

S-a stabilit că atomii și ionii obișnuiți reprezintă doar mai puțin de 20% din întreaga materie din Univers, iar mai mult de 80% este așa-numita materie întunecată, a cărei natură este încă necunoscută. Cea mai comună credință este că materia întunecată este formată din superparticule. Este posibil ca acesta să fie format din particule de oglindă.

Și mai uimitor este că toată materia, atât vizibilă (luminoasă), cât și întunecată, poartă doar un sfert din energia totală a Universului. Trei sferturi aparțin așa-numitei energii întunecate.

1.15. Particule elementare « e într-o anumită măsură” sunt fundamentale. Când profesorul meu Isaac Yakovlevich Pomeranchuk a vrut să sublinieze importanța unei întrebări, a spus că întrebarea este într-o măsură importantă. Desigur, majoritatea științelor naturii, nu doar fizica particulelor, sunt fundamentale. Fizica materiei condensate, de exemplu, este guvernată de legi fundamentale care pot fi folosite fără a înțelege cum decurg din legile fizicii particulelor. Dar legile relativității și mecanicii cuantice " e„într-o măsură fundamentală” în sensul că nu pot fi contrazise de niciuna dintre legile mai puțin generale.

1.16. Legile fundamentale. Toate procesele din natură apar ca rezultat al interacțiunilor locale și al mișcărilor (propagarilor) particulelor elementare. Legile de bază care guvernează aceste mișcări și interacțiuni sunt foarte neobișnuite și foarte simple. Ele se bazează pe conceptul de simetrie și pe principiul că tot ceea ce nu contrazice simetria poate și ar trebui să se întâmple. Mai jos, folosind limbajul diagramelor Feynman, vom urmări cum se realizează acest lucru în interacțiunile gravitaționale, electromagnetice, slabe și puternice ale particulelor.

2. Particule și viață

2.1. Despre civilizație și cultură. Membru străin al RAS Valentin Telegdi (1922–2006) a explicat: „Dacă un WC (toaletă) este civilizație, atunci capacitatea de a-l folosi este cultură”.

Angajatul ITEP A. A. Abrikosov Jr. mi-a scris recent: „Unul dintre scopurile raportului dumneavoastră este de a convinge publicul înalt de necesitatea de a preda fizica modernă mai pe scară largă. Dacă da, atunci poate că ar merita să dați câteva exemple de zi cu zi. Ce vreau să spun este asta:

Trăim într-o lume care, chiar și la nivel de zi cu zi, este de neconceput fără mecanica cuantică (QM) și teoria relativității (TR). Telefoanele mobile, computerele, toate electronicele moderne, ca să nu mai vorbim de luminile LED, laserele cu semiconductori (inclusiv pointerii) și afișajele LCD sunt în esență dispozitive cuantice. Este imposibil de explicat cum funcționează fără conceptele de bază ale CM. Cum le poți explica fără a menționa tunelul?

Al doilea exemplu, poate, îl știu de la tine. Navigatoarele prin satelit sunt deja instalate în fiecare a 10-a mașină. Precizia sincronizării ceasului într-o rețea de satelit nu este mai mică de 10 -8 (aceasta corespunde unei erori de ordinul unui metru în localizarea unui obiect pe suprafața Pământului). O astfel de acuratețe necesită luarea în considerare a corecțiilor de întreținere ale frecvenței ceasului pe un satelit în mișcare. Se spune că inginerilor nu le venea să creadă, așa că primele dispozitive aveau un program dublu: cu și fără corecții. După cum se dovedește, primul program funcționează mai bine. Iată un test al teoriei relativității la nivel de zi cu zi.

Desigur, discuția la telefon, conducerea unei mașini și atingerea tastelor computerului este posibilă fără știință înaltă. Dar academicienii cu greu ar trebui să îndemne oamenii să nu studieze geografia, pentru că „există taximetriști”.

Și apoi școlari, apoi elevi, au vorbit despre aspecte materiale și despre relativitatea galileană timp de cinci ani și dintr-o dată, fără un motiv aparent, ei declară că acest lucru „nu este în întregime adevărat”.

Este dificil să treci de la lumea vizuală newtoniană la cea cuantică chiar și în fizică și tehnologie. Al tău, AAA.”

2.2. Despre fizica fundamentală și educație. Din păcate, sistemul modern de învățământ este cu un secol în urmă cu fizica fundamentală modernă. Și majoritatea oamenilor (inclusiv majoritatea oamenilor de știință) nu au idee despre imaginea (harta) uimitor de clară și simplă a lumii pe care a creat-o fizica particulelor. Această hartă face mult mai ușor să navighezi în toate științele naturale. Scopul raportului meu este de a vă convinge că unele elemente (concepte) ale fizicii particulelor elementare, teoria relativității și teoria cuantică pot și ar trebui să devină baza pentru predarea tuturor disciplinelor de științe naturale nu numai la nivel superior, ci și la secundar și chiar Școala primară. La urma urmei, conceptele fundamental noi sunt cel mai ușor stăpânite în copilărie. Copilul stăpânește cu ușurință limba și se obișnuiește să folosească telefonul mobil. Mulți copii readuc cubul Rubik la starea inițială în câteva secunde, dar nici măcar o zi nu este suficientă pentru mine.

Pentru a evita surprizele neplăcute în viitor, la grădiniță trebuie să se stabilească o viziune adecvată asupra lumii. constante cȘi h ar trebui să devină instrumente de cunoaștere pentru copii.

2.3. Despre matematică. Matematica - regina și slujitorul tuturor științelor - ar trebui să servească cu siguranță ca principal instrument de cunoaștere. Oferă concepte de bază precum adevăr, frumusețe, simetrie, ordine. Conceptele de zero și infinit. Matematica te învață să gândești și să numeri. Fizica fundamentală este de neconceput fără matematică. Educația este de neconceput fără matematică. Desigur, poate fi prea devreme să studiezi teoria de grup la școală, dar este necesar să înveți să apreciezi adevărul, frumusețea, simetria și ordinea (și, în același timp, o oarecare dezordine).

Este foarte important să înțelegem trecerea de la numerele reale (reale) (simple, raționale, iraționale) la cele imaginare și complexe. Probabil că doar acei studenți care doresc să lucreze în domeniul matematicii și fizicii teoretice ar trebui să studieze numerele hipercomplexe (cuaternioni și octonii). De exemplu, nu am folosit niciodată octonions în munca mea. Dar știu că fac mai ușor de înțeles ceea ce mulți fizicieni teoreticieni consideră a fi cel mai promițător și excepțional grup de simetrie, E 8 .

2.4. Despre viziunea asupra lumii și științele naturii. O idee despre legile de bază care guvernează lumea este necesară în toate științele naturii. Desigur, fizica stării solide, chimia, biologia, științele Pământului și astronomia au propriile concepte, metode și probleme specifice. Dar este foarte important să existe o hartă generală a lumii și să înțelegem că pe această hartă există multe puncte goale ale necunoscutului. Este foarte important să înțelegem că știința nu este o dogmă osificată, ci un proces viu de abordare a adevărului în multe puncte de pe harta lumii. Abordarea adevărului este un proces asimptotic.

2.5. Despre reducționismul adevărat și vulgar. Ideea că structurile mai complexe din natură sunt compuse din structuri mai puțin complexe și, în ultimă instanță, din elemente mai simple este denumită în mod obișnuit reducționism. În acest sens, ceea ce încerc să vă conving este reducționismul. Dar reducționismul vulgar, care susține că toate științele pot fi reduse la fizica particulelor elementare, este absolut inacceptabil. La fiecare nivel din ce în ce mai ridicat de complexitate, se formează și apar propriile modele. Pentru a fi un bun biolog, nu trebuie să cunoști fizica particulelor. Dar să înțelegem locul și rolul său în sistemul științelor, să înțelegem rolul cheie al constantelor cȘi h necesar. La urma urmei, știința în ansamblu este un singur organism.

2.6. Despre științe umaniste și sociale. O înțelegere generală a structurii lumii este foarte importantă pentru economie, istorie, științe cognitive, cum ar fi științele limbajului și filozofie. Și invers - aceste științe sunt extrem de importante pentru fizica fundamentală în sine, care își rafinează constant conceptele fundamentale. Acest lucru va fi clar din discuția despre teoria relativității, la care mă voi întoarce acum. Voi spune mai ales despre științele juridice, care sunt extrem de importante pentru prosperitatea (ca să nu mai vorbim de supraviețuire) științelor naturii. Sunt convins că legile sociale nu trebuie să contrazică legile fundamentale ale naturii. Legile umane nu ar trebui să contrazică Legile divine ale naturii.

2.7. Micro-, Macro-, Cosmo-. Lumea noastră obișnuită de lucruri mari, dar nu gigantice, se numește de obicei macrolume. Lumea obiectelor cerești poate fi numită cosmoworld, iar lumea particulelor atomice și subatomice se numește microlume. (Deoarece dimensiunile atomilor sunt de ordinul a 10-10 m, microcosmosul înseamnă obiecte cu cel puțin 4, sau chiar 10 ordine de mărime mai mici decât un micrometru și cu 1-7 ordine de mărime mai mici decât un nanometru. Nano la modă. regiunea este situată pe drumul de la micro la macro.) În secolul al XX-lea, a fost construit așa-numitul model standard al particulelor elementare, care vă permite să înțelegeți simplu și clar multe legi macro și cosmice bazate pe micro legi.

2.8. Modelele noastre. Modelele din fizica teoretică sunt construite prin eliminarea circumstanțelor irelevante. De exemplu, în fizica atomică și nucleară, interacțiunile gravitaționale ale particulelor sunt neglijabile și pot fi ignorate. Acest model al lumii se încadrează în teoria relativității speciale. În acest model sunt atomi, molecule, corpuri condensate,... acceleratori și ciocnitori, dar nu există Soare și stele.

Un astfel de model ar fi cu siguranță incorect la scări foarte mari unde gravitația este semnificativă.

Desigur, existența Pământului (și, prin urmare, a gravitației) este necesară pentru existența CERN, dar pentru înțelegerea marii majorități a experimentelor efectuate la CERN (cu excepția căutării „găurilor negre” microscopice la coliziune), gravitația. este neimportant.

2.9. Ordine de mărime. Una dintre dificultățile în înțelegerea proprietăților particulelor elementare se datorează faptului că acestea sunt foarte mici și sunt foarte multe. Există un număr mare de atomi într-o lingură de apă (aproximativ 10 23). Numărul de stele din partea vizibilă a Universului nu este cu mult mai mic. Nu trebuie să vă fie frică de un număr mare. La urma urmei, gestionarea lor nu este dificilă, deoarece înmulțirea numerelor se reduce în principal la adunarea ordinelor lor: 1 = 10 0, 10 = 10 1, 100 = 10 2. Înmulțind 10 cu 100, obținem 10 1+2 = 10 3 = 1000.

2.10. O picătură de ulei. Dacă o picătură de ulei cu un volum de 1 mililitru este aruncată pe suprafața apei, aceasta se va estompa într-un loc de culoarea curcubeului cu o suprafață de aproximativ câțiva metri pătrați și o grosime de aproximativ o sută de nanometri. Aceasta este cu doar trei ordine de mărime mai mare decât dimensiunea unui atom. Și grosimea peliculei unui balon de săpun în locurile cele mai subțiri este de ordinul mărimii moleculelor.

2.11. Jouli. O baterie tipică AA are o tensiune de 1,5 volți (V) și conține 10 4 jouli (J) de energie electrică. Permiteți-mi să vă reamintesc că 1 J = 1 coulomb × 1 V și, de asemenea, că 1 J = kg m 2 / s 2 și că accelerația gravitației este de aproximativ 10 m / s 2. Deci 1 joule vă permite să ridicați 1 kilogram la o înălțime de 10 cm, iar 10 4 J va ridica 100 kg până la 10 metri. Aceasta este câtă energie consumă un lift pentru a duce un școlar la etajul zece. Aceasta este câtă energie este în baterie.

2.12. Electrovolți. Unitatea de energie în fizica particulelor este electronvoltul (eV): energia de 1 eV este dobândită de 1 electron care trece printr-o diferență de potențial de 1 volt. Deoarece există 6,24 × 10 18 electroni într-un coulomb, atunci 1 J = 6,24 × 10 18 eV.

1 keV = 10 3 eV, 1 MeV = 10 6 eV, 1 GeV = 10 9 eV, 1 TeV = 10 12 eV.

Permiteți-mi să vă reamintesc că energia unui proton din marele colisionator de hadroni CERN ar trebui să fie egală cu 7 TeV.

3. Despre teoria relativității

3.1. Cadre de referință. Descriem toate experimentele noastre într-un cadru de referință sau altul. Sistemul de referință poate fi un laborator, un tren, un satelit Pământului, centrul galaxiei... . Sistemul de referință poate fi orice particule care zboară, de exemplu, într-un accelerator de particule. Deoarece toate aceste sisteme se mișcă unul față de celălalt, nu toate experimentele vor arăta la fel în ele. În plus, influența gravitațională a corpurilor masive din apropiere este, de asemenea, diferită. Luarea în considerare a acestor diferențe constituie conținutul principal al teoriei relativității.

3.2. nava lui Galileo. Galileo a formulat principiul relativității, descriind plin de culoare tot felul de experimente în cabina unei nave cu vele. Dacă ferestrele sunt draperii, cu ajutorul acestor experimente nu se poate afla cât de repede se mișcă nava și dacă este staționară. Einstein a adăugat experimente cu viteza finită a luminii acestei cabine. Dacă nu te uiți pe fereastră, nu poți spune viteza navei. Dar dacă te uiți la țărm, poți.

3.3. Stele îndepărtate*. Este logic să oferim un cadru de referință în raport cu care oamenii ar putea formula rezultatele experimentelor lor, indiferent de locul în care se află. Un sistem în care stelele îndepărtate sunt nemișcate a fost de mult acceptat ca un astfel de sistem de referință universal. Și relativ recent (în urmă cu jumătate de secol) au fost descoperiți și mai mult quasari îndepărtați și s-a dovedit că în acest sistem fondul relict al microundelor ar trebui să fie izotrop.

3.4. În căutarea unui sistem de referință universal*.În esență, întreaga istorie a astronomiei este o progresie către un cadru de referință din ce în ce mai universal. De la antropocentric, unde omul este în centru, la geocentric, unde Pământul se odihnește în centru (Ptolemeu, 87–165), la heliocentric, unde Soarele se odihnește în centru (Copernic, 1473–1543), până la galacentric, unde centrul galaxiei noastre se odihnește, spre nebular, unde se odihnește sistemul de nebuloase - clustere de galaxii; pe fundal, unde fundalul cosmic cu microunde este izotrop. Este important, totuși, ca vitezele acestor sisteme de referință să fie mici în comparație cu viteza luminii.

3.5. Copernic, Kepler, Galileo, Newton*.În cartea lui Nicolaus Copernic „Despre rotațiile sferelor cerești”, publicată în 1543, se spune: „Toate mișcările observabile la Soare nu îi sunt specifice, ci aparțin Pământului și sferei noastre, împreună cu care. ne învârtim în jurul Soarelui, ca orice altă planetă; astfel Pământul are mai multe mișcări. Mișcările aparente înainte și înapoi ale planetelor nu le aparțin, ci Pământului. Astfel, această mișcare singură este suficientă pentru a explica un număr mare de nereguli vizibile pe cer.”

Copernic și Kepler (1571–1630) au oferit o descriere fenomenologică simplă a cinematicii acestor mișcări. Galileo (1564–1642) și Newton (1643–1727) au explicat dinamica lor.

3.6. Spațiu și timp universal*. Coordonatele spațiale și timpul, referite la un sistem de referință universal, pot fi numite universale sau absolute în deplină armonie cu teoria relativității. Este important doar să subliniem că alegerea acestui sistem este făcută și convenită de către observatorii locali. Orice sistem de referință care se mișcă progresiv în raport cu sistemul universal este inerțial: în el, mișcarea liberă este uniformă și rectilinie.

3.7. „Teoria invarianței”*. Rețineți că atât Albert Einstein (1879–1955), cât și Max Planck (1858–1947) (care au inventat termenul „teoria relativității” în 1907, referindu-se la teoria prezentată de Einstein în 1905) credeau că termenul „invarianță teorie” ar putea reflecta mai exact esența sa. Dar, aparent, la începutul secolului al XX-lea era mai important să se sublinieze relativitatea unor concepte precum timpul și simultaneitatea în sisteme de referință inerțiale egale decât să se evidențieze unul dintre aceste sisteme. Cel mai important lucru a fost că, cu ferestrele cabinei lui Galileo acoperite, era imposibil să se determine viteza navei. Dar acum este timpul să deschidem draperiile și să privim țărm. În acest caz, desigur, toate modelele stabilite cu perdelele închise vor rămâne de neclintit.

3.8. Scrisoare către Chimmer*. În 1921, Einstein, într-o scrisoare către E. Chimmer, autorul cărții „Scrisori filosofice”, scria: „În ceea ce privește termenul „teoria relativității”, recunosc că este regretabil și duce la neînțelegeri filozofice”. Dar, potrivit lui Einstein, este prea târziu pentru ao schimba, în special pentru că este larg răspândită. Această scrisoare a fost publicată în al 12-lea volum al „Opere colectate ale lui Einstein”, în 25 de volume, publicat în Princeton, publicat în toamna anului 2009.

3.9. Viteza maximă în natură. Constanta cheie a teoriei relativității este viteza luminii c= 300.000 km/s = 3 × 10 8 m/s. (Mai precis, c= 299.792.458 m/s. Și acest număr stă acum la baza definiției contorului.) Această viteză este viteza maximă de propagare a oricăror semnale din natură. Depășește viteza obiectelor masive cu care avem de-a face în fiecare zi cu multe ordine de mărime. Tocmai valoarea sa neobișnuit de mare este cea care împiedică înțelegerea conținutului principal al teoriei relativității. Particulele care se deplasează cu viteze de ordinul vitezei luminii se numesc relativiste.

3.10. Energie, impuls și viteză. Mișcarea liberă a unei particule este caracterizată de energia particulei Eși impulsul său p. Conform teoriei relativității, viteza unei particule v este determinat de formula

Unul dintre principalele motive pentru confuzia terminologică discutată în Sect. 3.14, este că atunci când au creat teoria relativității, au încercat să păstreze legătura newtoniană dintre impuls și viteză. p = mv, care contrazice teoria relativității.

3.11. Greutate. Masa particulelor m este determinat de formula

În timp ce energia și impulsul unei particule depind de cadrul de referință, de mărimea masei sale m nu depinde de sistemul de referință. Este un invariant. Formulele (1) și (2) sunt de bază în teoria relativității.

În mod ciudat, prima monografie despre teoria relativității, în care a apărut formula (2), a fost publicată abia în 1941. Era „Teoriile câmpului” de L. Landau (1908–1968) și E. Lifshitz (1915–1985) . Nu l-am găsit în niciuna dintre lucrările lui Einstein. Nu se găsește în minunata carte „Theory of Relativity” de W. Pauli (1900–1958), publicată în 1921. Dar ecuația de undă relativistă care conține această formulă se afla în cartea „Principles of Quantum Mechanics” de P. Dirac , publicat în 1930 (1902–1984), și chiar mai devreme în articolele din 1926 de O. Klein (1894–1977) și V. Fok (1898–1974).

3.12. Fotoni fără masă. Dacă masa unei particule este zero, adică particula nu are masă, atunci din formulele (1) și (2) rezultă că în orice cadru de referință viteza sa este egală cu c. Deoarece masa unei particule de lumină - un foton - este atât de mică încât nu poate fi detectată, se acceptă în general că este egală cu zero și că c- aceasta este viteza luminii.

3.13. Energia odihnei. Dacă masa particulei este diferită de zero, atunci luați în considerare cadrul de referință în care particula liberă este în repaus și v = 0, p= 0. Un astfel de cadru de referință se numește cadrul de repaus al particulei, iar energia particulei din acest cadru se numește energia de repaus și se notează E 0. Din formula (2) rezultă că

Această formulă exprimă relația dintre energia de repaus a unei particule masive și masa ei, descoperită de Einstein în 1905.

3.14. „Cea mai faimoasă formulă”. Din păcate, de foarte multe ori formula lui Einstein este scrisă sub forma „cea mai faimoasă formulă E = mc 2”, omițând indicele zero al energiei de repaus, ceea ce duce la numeroase neînțelegeri și confuzii. La urma urmei, această „formulă faimoasă” identifică energia și masa, ceea ce contrazice teoria relativității în general și formula (2) în special. Din aceasta rezultă o concepție greșită larg răspândită conform căreia masa unui corp, conform teoriei relativității, se presupune că crește odată cu creșterea vitezei. În ultimii ani, Academia Rusă de Educație a făcut multe pentru a risipi această concepție greșită.

3.15. Unitatea de măsură a vitezei*. În teoria relativității, care se ocupă de viteze comparabile cu viteza luminii, este firesc să alegeți c ca unitate a vitezei. Această alegere simplifică toate formulele, deoarece c/c= 1 și ar trebui puse c= 1. În acest caz, viteza devine o mărime adimensională, distanța are dimensiunea timpului, iar masa are dimensiunea energiei.

În fizica particulelor, masele particulelor sunt de obicei măsurate în electronvolți - eV și derivații acestora (vezi Secțiunea 2.14). Masa unui electron este de aproximativ 0,5 MeV, masa unui proton este de aproximativ 1 GeV, masa celui mai greu quarc este de aproximativ 170 GeV, iar masa unui neutrin este de aproximativ o fracțiune de eV.

3.16. Distanțele astronomice*. În astronomie, distanțele sunt măsurate în ani lumină. Dimensiunea părții vizibile a Universului este de aproximativ 14 miliarde de ani lumină. Acest număr este și mai impresionant în comparație cu timpul de 10 -24 s, timp în care lumina parcurge o distanță de ordinul mărimii unui proton. Și în acest interval colosal funcționează teoria relativității.

3.17. Lumea lui Minkowski.În 1908, cu câteva luni înainte de moartea sa prematură, Herman Minkowski (1864–1909) a spus profetic: „Concepțiile despre spațiu și timp pe care intenționez să le dezvolt înainte de tine au apărut pe o bază fizică experimentală. Aceasta este puterea lor. Tendința lor este radicală. De acum înainte, spațiul în sine și timpul în sine trebuie să se transforme în ficțiune și doar un fel de combinație a ambelor trebuie să-și păstreze în continuare independența.”

Un secol mai târziu, știm că timpul și spațiul nu au devenit ficțiune, dar ideea lui Minkowski a făcut posibil să se descrie foarte simplu mișcările și interacțiunile particulelor de materie.

3.18. Lumea cu patru dimensiuni*. În unitățile în care c= 1, ideea lumii lui Minkowski, care combină timpul și spațiul tridimensional într-o singură lume cu patru dimensiuni, arată deosebit de frumoasă. Energia și impulsul sunt combinate într-un singur vector cu patru dimensiuni, iar masa, în conformitate cu ecuația (2), servește ca lungime pseudo-euclidiană a acestui 4-vector energie-impuls. p = E, p:

O traiectorie cu patru dimensiuni în lumea Minkowski se numește linie de lume, iar punctele individuale sunt numite puncte de lume.

3.19. Dependența ceasului de viteza sa**. Numeroase observații indică faptul că ceasurile funcționează cel mai repede atunci când sunt în repaus în raport cu cadrul inerțial. Mișcarea finită într-un sistem de referință inerțial încetinește progresul lor. Cu cât se deplasează mai repede în spațiu, cu atât merg mai încet în timp. Decelerația este absolută în sistemul de referință universal (vezi secțiunile 3.1–3.8). Măsura sa este raportul E/m, care este adesea notat cu litera γ.

3.20. Muoni într-un accelerator inel și în repaus**. Existența acestei încetiniri poate fi văzută cel mai clar comparând durata de viață a unui muon în repaus și a unui muon care se rotește într-un accelerator inel. Faptul că în accelerator muonul nu se mișcă complet liber, ci are accelerație centripetă ω 2 R, Unde ω este frecvența radială a circulației și R- raza orbitală, dă doar o corecție neglijabilă, deoarece E/ω 2 R = ER>> 1. Mișcarea în cerc, și nu în linie dreaptă, este absolut esențială pentru compararea directă a unui muon în rotație cu unul staționar. Dar în ceea ce privește rata de îmbătrânire a unui muon în mișcare, un arc circular cu o rază suficient de mare nu se poate distinge de o linie dreaptă. Acest tempo este determinat de raport E/m. (Subliniez că, conform teoriei relativității speciale, cadrul de referință în care un muon rotativ este în repaus nu este inerțial.)

3.21. Arc și coardă**. Din punctul de vedere al unui observator în repaus într-un cadru de referință inerțial, un arc de cerc cu o rază suficient de mare și coarda lui sunt practic indistincte: mișcarea de-a lungul arcului este aproape inerțială. Din punctul de vedere al unui observator în repaus în raport cu un muon care zboară în cerc, mișcarea acestuia este în esență neinerțială. La urma urmei, viteza sa se schimbă semnul într-o jumătate de tură. (Pentru un observator în mișcare, stelele îndepărtate nu sunt deloc nemișcate. Întregul Univers este asimetric pentru el: stelele din față sunt albastre și din spate sunt roșii. În timp ce pentru noi sunt toate la fel - aurii, deoarece viteza soarelui sistemul este scăzut.) Iar non-inerțialitatea acestui observator se manifestă prin aceea că constelațiile din față și din spate se schimbă pe măsură ce muonul se mișcă în acceleratorul inel. Nu putem considera observatorii în repaus și observatorii în mișcare ca fiind echivalenti, deoarece primul nu experimentează nicio accelerație, iar al doilea, pentru a se întoarce la locul de întâlnire, trebuie să o experimenteze.

3.22. GTO**. Fizicieni teoreticieni obişnuiţi cu limbajul Teoria generală relativitatea (GR), insistă că toate sistemele de referință sunt egale. Nu doar inerțial, ci și accelerat. Acel spațiu-timp însuși este curbat. În acest caz, interacțiunea gravitațională încetează să fie aceeași interacțiune fizică ca și electromagnetică, slabă și puternică, dar devine o manifestare exclusivă a spațiului curbat. Ca rezultat, toată fizica pentru ei pare să fie împărțită în două părți. Dacă pornim de la faptul că accelerația se datorează întotdeauna interacțiunii, că nu este relativă, ci absolută, atunci fizica devine unificată și simplă.

3.23. „Lenkom”. Folosirea cuvintelor „relativitate” și „relativism” în raport cu viteza luminii amintește de numele teatrului Lenkom sau al ziarului Moskovsky Komsomolets, numai genealogic legat de Komsomol. Acestea sunt paradoxurile limbajului. Viteza luminii în vid nu este relativă. Ea este absolută. Fizicienii au nevoie doar de ajutorul lingviştilor.

4. Despre teoria cuantică

4.1. constanta lui Planck. Dacă în teoria relativității constanta cheie este viteza luminii c, apoi în mecanica cuantică cheia este constanta h= 6,63·10 −34 J· s, descoperit de Max Planck în 1900. Sensul fizic al acestei constante va deveni clar din prezentarea ulterioară. În cea mai mare parte, așa-numita constantă Planck redusă apare în formulele mecanicii cuantice:

ħ = h/2π= 1,05 10 −34 J × c= 6,58.10 -22 MeV.c.

În multe fenomene, cantitatea joacă un rol important ħc= 1,97·10−11 MeV cm.

4.2. Spinul electronilor. Să începem cu binecunoscuta comparație naivă a unui atom cu un sistem planetar. Planetele se rotesc în jurul Soarelui și în jurul propriei axe. În mod similar, electronii se rotesc în jurul nucleului și în jurul propriei axe. Rotația unui electron pe orbita sa este caracterizată de momentul unghiular orbital L(este adesea și nu tocmai corect numit moment unghiular orbital). Rotația unui electron în jurul propriei axe este caracterizată de propriul său moment unghiular - spin S. S-a dovedit că toți electronii din lume au un spin egal cu (1/2) ħ . Pentru comparație, observăm că „învârtirea” Pământului este de 6·10 33 m 2 kg/s = 6·10 67 ħ .

4.3. Atom de hidrogen. De fapt, un atom nu este un sistem planetar, iar un electron nu este o particulă obișnuită care se mișcă pe o orbită. Un electron, ca toate celelalte particule elementare, nu este deloc o particulă în sensul de zi cu zi al cuvântului, ceea ce implică faptul că particula trebuie să se miște pe o anumită traiectorie. În cel mai simplu atom - un atom de hidrogen, dacă este în starea sa fundamentală, adică nu este excitat, electronul seamănă mai degrabă cu un nor sferic cu o rază de ordinul a 0,5 × 10 -10 m. Pe măsură ce atomul este excitat, electronul intră în stări din ce în ce mai înalte, având o dimensiune din ce în ce mai mare.

4.4. Numerele cuantice de electroni. Fără a ține cont de spin, mișcarea unui electron într-un atom este caracterizată de două numere cuantice: numărul cuantic principal nși numărul cuantic orbital l, și n ≥ l. Dacă l= 0, atunci electronul este un nor simetric sferic. Cu cât n este mai mare, cu atât este mai mare dimensiunea acestui nor. Cu atât mai mult l, cu atât mișcarea electronului seamănă mai mult cu mișcarea unei particule clasice pe orbita sa. Energia de legare a unui electron situat într-un atom de hidrogen pe o înveliș cu un număr cuantic n, este egal

Unde α =e 2/ħc≈ 1/137, a e- sarcina electronilor.

4.5. Atomi multielectroni. Spinul joacă un rol cheie în umplere învelișuri de electroni atomi multielectroni. Faptul este că doi electroni cu auto-rotație direcționată identic (spinuri identice) nu pot fi pe aceeași înveliș cu aceste valori. nȘi l. Acest lucru este interzis de așa-numitul principiu Pauli (1900–1958). În esență, principiul Pauli determină perioadele tabelul periodic elemente ale lui Mendeleev (1834–1907).

4.6. Bozoni și fermioni. Toate particulele elementare au spin. Deci, spinul fotonului este egal cu 1 în unități ħ , spinul gravitonului este 2. Particule cu spin întreg în unități ħ se numesc bosoni. Particulele cu spin semiîntreg se numesc fermioni. Bosonii sunt colectivişti: „se străduiesc să trăiască toţi în aceeaşi cameră”, să fie în aceeaşi stare cuantică. Un laser se bazează pe această proprietate a fotonilor: toți fotonii dintr-un fascicul laser au exact aceleași impulsuri. Fermionii sunt individualiști: „fiecare dintre ei are nevoie de un apartament separat”. Această proprietate a electronilor determină modelele de umplere a învelișurilor de electroni ale atomilor.

4.7. „Centauri cuantici”. Particulele elementare sunt ca centaurii cuantici: jumătățile de particule sunt semi-unde. Datorită proprietăților lor unde, centaurii cuantici, spre deosebire de particulele clasice, pot trece prin două fante simultan, rezultând un model de interferență pe un ecran din spatele lor. Toate încercările de a încadra centaurii cuantici în patul Procustean al conceptelor fizicii clasice s-au dovedit a fi infructuoase.

4.8. Relații de incertitudine. Constant ħ determină caracteristicile mișcării nu numai de rotație, ci și de translație a particulelor elementare. Incertitudinile în poziția și impulsul particulei trebuie să satisfacă așa-numitele relații de incertitudine Heisenberg (1901–1976), cum ar fi

O relație similară există pentru energie și timp:

4.9. Mecanica cuantică. Atât cuantizarea spinului, cât și relațiile de incertitudine sunt manifestări particulare tipare generale mecanica cuantică, creată în anii 20 ai secolului XX. Conform mecanicii cuantice, orice particulă elementară, de exemplu, un electron, este atât o particulă elementară, cât și o undă elementară (cu o singură particulă). În plus, spre deosebire de unda obișnuită, care este mișcarea periodică a unui număr colosal de particule, o undă elementară este un tip nou, necunoscut anterior, de mișcare a unei particule individuale. Lungimea de undă elementară λ a unei particule cu impuls p egal cu λ = h/|p| și frecvența elementară ν , corespunzătoare energiei E, este egal ν = E/h.

4.10. Teoria câmpului cuantic. Deci, la început am fost forțați să admitem că particulele pot fi în mod arbitrar ușoare și chiar fără masă și că viteza lor nu poate depăși c. Apoi am fost forțați să admitem că particulele nu sunt deloc particule, ci hibrizi particulari de particule și unde, al căror comportament este unit de cuantum. h. Unificarea relativității și a mecanicii cuantice a fost realizată de Dirac (1902–1984) în 1930 și a condus la crearea unei teorii numită teoria cuantică a câmpurilor. Această teorie este cea care descrie proprietățile de bază ale materiei.

4.11. Unităţi în care c, ħ = 1. În cele ce urmează, de regulă, vom folosi unități în care se consideră unitatea vitezei c, și pe unitatea de moment unghiular (acțiune) - ħ . În aceste unități, toate formulele sunt simplificate semnificativ. În ei, în special, dimensiunile energiei, masei și frecvenței sunt aceleași. Aceste unități sunt acceptate în fizica energiilor înalte, deoarece fenomenele cuantice și relativiste sunt semnificative în ea. În cazurile în care este necesar să subliniem natura cuantică a unui anumit fenomen, vom scrie în mod explicit ħ . Vom face la fel cu c.

4.12. Einstein și mecanica cuantică*. Einstein, într-un fel, după ce a dat naștere mecanicii cuantice, nu s-a împăcat cu ea. Și până la sfârșitul vieții a încercat să construiască o „teorie unificată a tuturor” bazată pe teoria clasică a câmpului, ignorând ħ . Einstein credea în determinismul clasic și în inadmisibilitatea aleatoriei. El a repetat despre Dumnezeu: „Nu joacă zaruri”. Și nu a putut să se împace cu faptul că momentul de dezintegrare a unei particule individuale nu poate fi prezis, în principiu, deși durata medie de viață a unui anumit tip de particule este prezisă în cadrul mecanicii cuantice cu o precizie fără precedent. Din păcate, părtinirile sale au determinat părerile prea multor oameni.

5. Diagrame Feynman

5.1. Cea mai simplă diagramă. Interacțiunile particulelor pot fi vizualizate convenabil folosind diagramele propuse de Richard Feynman (1918–1988) în 1949. În fig. Figura 1 prezintă cea mai simplă diagramă Feynman care descrie interacțiunea unui electron și a unui proton prin schimbul unui foton.

Săgețile din figură indică direcția fluxului de timp pentru fiecare particulă.

5.2. Particule reale. Fiecare proces este reprezentat de una sau mai multe diagrame Feynman. Liniile exterioare din diagramă corespund particulelor de intrare (înainte de interacțiune) și de ieșire (după interacțiune) care sunt libere. Momentul lor de 4 p satisface ecuația

Se numesc particule reale și se spune că se află pe suprafața masei.

5.3. Particule virtuale. Liniile interioare ale diagramelor corespund particulelor în stare virtuală. Pentru ei

Ele sunt numite particule virtuale și se spune că sunt în afara cochiliei. Propagarea unei particule virtuale este descrisă de o mărime matematică numită propagator.

Această terminologie comună poate determina un începător să creadă că particulele virtuale sunt mai puțin materiale decât particulele reale. În realitate, ele sunt la fel de materiale, dar noi percepem particulele reale ca materie și radiații, iar pe cele virtuale - în principal ca câmpuri de forță, deși această distincție este în mare măsură arbitrară. Este important ca aceeași particulă, de exemplu, un foton sau un electron, să poată fi reală în anumite condiții și virtuală în altele.

5.4. Vârfurile. Vârfurile diagramei descriu actele locale ale interacțiunilor elementare dintre particule. La fiecare vârf se conservă 4-momentul. Este ușor de observat că, dacă trei linii de particule stabile se întâlnesc la un vârf, atunci cel puțin una dintre ele trebuie să fie virtuală, adică trebuie să fie în afara suprafeței de masă: „Bolivar nu poate demola trei”. (De exemplu, un electron liber nu poate emite un foton liber și rămâne totuși un electron liber.)

Două particule reale interacționează la distanță, schimbând una sau mai multe particule virtuale.

5.5. Răspândirea. Dacă se spune că particulele reale se mișcă, atunci se spune că particulele virtuale se propagă. Termenul de „propagare” subliniază faptul că o particulă virtuală poate avea multe traiectorii și este posibil ca niciuna dintre ele să nu fie clasică, ca un foton virtual cu energie zero și impuls diferit de zero care descrie interacțiunea statică Coulomb.

5.6. Antiparticule. O proprietate remarcabilă a diagramelor Feynman este că ele descriu atât particulele, cât și antiparticulele lor corespunzătoare într-un mod unificat. În acest caz, antiparticula arată ca o particulă care se mișcă înapoi în timp. În fig. Figura 2 prezintă o diagramă care ilustrează nașterea unui proton și a unui antiproton în timpul anihilării unui electron și a unui pozitron.

Mișcarea înapoi în timp se aplică în egală măsură fermionilor și bosonilor. Face inutilă interpretarea pozitronilor ca stări neumplute într-o mare de electroni cu energie negativă, la care a recurs Dirac când a introdus conceptul de antiparticulă în 1930.

5.7. Diagramele Schwinger și Feynman. Schwinger (1918–1994), căruia nu i-au păsat dificultățile de calcul, nu i-au plăcut diagramele Feynman și a scris oarecum condescendent despre ele: „La fel ca cipul computerului din ultimii ani, diagrama Feynman a adus calcule maselor”. Din păcate, spre deosebire de cip, diagramele Feynman nu au atins cele mai largi mase.

5.8. Diagramele Feynman și Feynman. Din motive necunoscute, diagramele lui Feynman nici măcar nu au ajuns la celebrele Prelegeri Feynman despre fizică. Sunt convins că trebuie aduse elevilor liceu, explicându-le ideile de bază ale fizicii particulelor. Aceasta este cea mai simplă viziune asupra microcosmosului și a lumii în ansamblu. Dacă un elev cunoaște conceptul de energie potențială (de exemplu, legea lui Newton sau legea lui Coulomb), atunci diagramele Feynman îi permit să obțină o expresie pentru această energie potențială.

5.9. Particule virtuale și câmpuri de forță fizică. Diagramele Feynman sunt cel mai simplu limbaj al teoriei câmpurilor cuantice. (Cel puțin în cazurile în care interacțiunea nu este foarte puternică și teoria perturbației poate fi folosită.) Majoritatea cărților despre teoria cuantică a câmpurilor tratează particulele ca excitații cuantice ale câmpurilor, ceea ce necesită familiarizarea cu formalismul cuantizării secundare. În limbajul diagramelor Feynman, câmpurile sunt înlocuite cu particule virtuale.

Particulele elementare au atât corpusculare cât și proprietățile valurilor. Mai mult, în stare reală sunt particule de materie, iar în stare virtuală sunt și purtători de forțe între obiectele materiale. După introducerea particulelor virtuale, conceptul de forță devine inutil, iar conceptul de câmp, dacă nu erai familiarizat cu el înainte, ar trebui poate să fie introdus după ce conceptul de particule virtuale a fost stăpânit.

5.10. Interacțiuni elementare*. Actele elementare de emisie și absorbție a particulelor virtuale (vârfurile) sunt caracterizate de astfel de constante de interacțiune precum sarcina electrică e în cazul unui foton, sarcini slabe e/sin θ Wîn cazul bosonului W şi e/sin θ W cos θ Wîn cazul bosonului Z (unde θ W- Unghiul Weinberg), încărcare de culoare gîn cazul gluonilor, și cantitatea √Gîn cazul gravitonului, unde G- Constanta lui Newton. (Vezi cap. 6–10.) Interacțiunea electromagnetică este discutată mai jos în cap. 7. Interacțiune slabă - în cap. 8. Puternic - în cap. 9.

Vom începe cu următorul capitol. 6 cu interacțiune gravitațională.

6. Interacțiune gravitațională

6.1. Gravitoni. Voi începe cu particule care nu au fost încă descoperite și cu siguranță nu vor fi descoperite în viitorul apropiat. Acestea sunt particule câmp gravitațional- gravitoni. Nu numai gravitonii nu au fost încă descoperiți, ci și valuri gravitationale(și asta într-un moment în care undele electromagnetice pătrund literalmente în viața noastră). Acest lucru se datorează faptului că la energii joase interacțiunea gravitațională este foarte slabă. După cum vom vedea, teoria gravitonilor ne permite să înțelegem toate proprietățile cunoscute ale interacțiunii gravitaționale.

6.2. Schimb de gravitoni.În limbajul diagramelor Feynman, interacțiunea gravitațională a două corpuri se realizează prin schimbul de gravitoni virtuali între particulele elementare care alcătuiesc aceste corpuri. În fig. 3, un graviton este emis de o particulă cu 4-moment p 1 și este absorbit de o altă particulă cu 4-moment p 2 . Datorită conservării 4-momentului, q=p 1 − p′ 1 =p′ 2 −p 2 , unde q este 4-momentul gravitonului.

Propagarea unui graviton virtual (ca orice particulă virtuală, are un propagator) este reprezentată în figură de un arc.

6.3. Un atom de hidrogen în câmpul gravitațional al Pământului.În fig. Figura 4 prezintă suma diagramelor în care un atom de hidrogen cu 4 momente p 1 schimbă gravitoni cu toți atomii Pământului având un total de 4 momente p 2 . Și în acest caz q = p 1 − p′ 1 = p′ 2 − p 2 , unde q este impulsul total de 4 gravitoni virtuali.

6.4. Despre masa atomului.În viitor, când luăm în considerare interacțiunea gravitațională, vom neglija masa electronului în comparație cu masa protonului și, de asemenea, vom neglija diferența dintre masele protonului și neutronului și energia de legare a nucleonilor din nucleele atomice. Deci masa unui atom este aproximativ suma maselor nucleonilor din nucleul atomic.

6.5. Câştig*. Numărul de nucleoni ai Pământului N E ≈ 3,6 10 51 este egal cu produsul numărului de nucleoni dintr-un gram materie pământească, adică numărul lui Avogadro N A ≈ 6·10 23, pe masa Pământului în grame ≈ 6·10 27. Prin urmare, diagrama din fig. 4 reprezintă suma a 3,6 10 51 diagrame din Fig. 3, care este marcat de îngroșarea liniilor Pământului și gravitonii virtuali din Fig. 4. În plus, „arcul gravitonului”, spre deosebire de propagatorul unui graviton, este prezentat în Fig. 4 gri. Se pare că conține 3,6·10 51 gravitoni.

6.6. Mărul lui Newton în câmpul gravitațional al Pământului.În fig. 5, toți atomii de mere cu un total de 4 momente p 1 interacționează cu toți atomii Pământului cu un total de 4 momente p 2 .

6.7. Numărul de diagrame*. Permiteți-mi să vă reamintesc că un gram de materie obișnuită conține N A = 6·10 23 nucleoni. Numărul de nucleoni dintr-un măr de 100 de grame N a = 100N A = 6·10 25. Masa Pământului este de 6·10 27 g și, prin urmare, numărul de nucleoni ai Pământului N E = 3,6·10 51. Desigur, îngroșarea liniilor din Fig. 5 nu corespunde în niciun caz numărului imens de nucleoni de măr Na, nucleonii Pământului N E și numărului mult mai mare, pur și simplu fantastic, de diagrame Feynman N d = N a N E = 2,2·10 77 . La urma urmei, fiecare nucleon al unui măr interacționează cu fiecare nucleon al Pământului. Pentru a sublinia numărul enorm de diagrame, arcul din Fig. 5 este întunecat.

Deși interacțiunea unui graviton cu o particulă elementară individuală este foarte mică, suma diagramelor pentru toți nucleonii Pământului creează o atracție semnificativă pe care o simțim. Gravitația universală trage Luna spre Pământ, ambele spre Soare, toate stelele din galaxia noastră și toate galaxiile una spre cealaltă.

6.8. Amplitudinea Feynman și transformarea sa Fourier***.

Diagrama Feynman a interacțiunii gravitaționale a două corpuri lente cu mase m 1 și m 2 corespunde amplitudinii Feynman

Unde G- constanta lui Newton, a q- 3-impuls transportat de gravitoni virtuali. (Valoare 1/q 2, Unde q- 4-pulse, numit propagator graviton. În cazul corpurilor lente, energia practic nu este transferată și, prin urmare q 2 = −q 2 .)

Pentru a trece de la spațiul de impuls în spațiul de configurație (coordonate), trebuie să luăm transformata Fourier a amplitudinii A( q)

Valoarea A( r) oferă energia potențială a interacțiunii gravitaționale a particulelor non-relativiste și determină mișcarea unei particule relativiste într-un câmp gravitațional static.

6.9. Potențialul lui Newton*. Energia potenţială a două corpuri cu mase m 1 şi m 2 este egală cu

Unde G- constanta lui Newton, a r- distanta dintre corpuri.

Această energie este conținută în „izvorul” gravitonilor virtuali din Fig. 5. Interacțiune, al cărei potențial scade cu 1/ r, se numește distanță lungă. Folosind transformata Fourier, putem vedea că gravitația este cu rază lungă, deoarece gravitonul este fără masă.

6.10. Potențial de tip Yukawa**. Într-adevăr, dacă gravitonul ar avea o masă diferită de zero m, atunci amplitudinea Feynman pentru schimbul său ar avea forma

iar un potențial precum potențialul Yukawa cu o gamă de acțiune i-ar corespunde r ≈ 1/m:

6.11. Despre energia potențială**. În mecanica non-relativista a lui Newton, energia cinetică a unei particule depinde de viteza (impulsul) acesteia, iar energia potențială numai de coordonatele sale, adică de poziția sa în spațiu. În mecanica relativistă, o astfel de cerință nu poate fi păstrată, deoarece interacțiunea particulelor în sine depinde adesea de vitezele (momentele) lor și, în consecință, de energie kinetică. Cu toate acestea, pentru câmpurile gravitaționale obișnuite, destul de slabe, modificarea energiei cinetice a particulei este mică în comparație cu energia sa totală și, prin urmare, această schimbare poate fi neglijată. Energia totală a unei particule nonrelativiste într-un câmp gravitațional slab poate fi scrisă ca ε = E rudă + E 0 + U.

6.12. Universalitatea gravitației. Spre deosebire de toate celelalte interacțiuni, gravitația are proprietatea remarcabilă a universalității. Interacțiunea unui graviton cu orice particulă nu depinde de proprietățile acestei particule, ci depinde doar de cantitatea de energie pe care o posedă particula. Dacă această particulă este lentă, atunci energia ei de repaus E 0 = mc 2, conținut în masa sa, își depășește cu mult energia cinetică. Și, prin urmare, interacțiunea gravitațională este proporțională cu masa sa. Dar pentru o particulă suficient de rapidă, energia sa cinetică este mult mai mare decât masa sa. În acest caz, interacțiunea sa gravitațională este practic independentă de masă și este proporțională cu energia sa cinetică.

6.13. Spinul gravitonului și universalitatea gravitației**. Mai precis, emisia gravitonului este proporțională nu cu energia simplă, ci cu tensorul energie-impuls al particulei. Și asta, la rândul său, se datorează faptului că spin-ul gravitonului este egal cu doi. Fie 4-momentul particulei înainte de emisia gravitonului p 1 și după emisie p 2. Atunci impulsul gravitonului este egal cu q = p 1 − p 2. Dacă introduceți denumirea p = p 1 + p 2, atunci vârful emisiei gravitonului va avea forma

unde h αβ este funcția de undă gravitonă.

6.14. Interacțiunea gravitonului cu fotonul**. Acest lucru se vede în mod clar în exemplul unui foton, a cărui masă este zero. S-a dovedit experimental că atunci când un foton zboară de la etajul inferior al unei clădiri până la etajul superior, impulsul său scade sub influența gravitației Pământului. De asemenea, s-a dovedit că o rază de lumină de la o stea îndepărtată este deviată de atracția gravitațională a Soarelui.

6.15. Interacțiunea unui foton cu Pământul**. În fig. Figura 6 prezintă schimbul de gravitoni între Pământ și foton. Această cifră reprezintă în mod convențional suma cifrelor schimburilor de gravitoni ale unui foton cu toți nucleonii Pământului. Pe acesta, vârful pământului se obține din vârful nucleonului prin înmulțirea cu numărul de nucleoni din Pământul N E cu înlocuirea corespunzătoare a 4-momentului nucleonului cu 4-momentul Pământului (vezi Fig. 3).

6.16. Interacțiunea gravitonului cu gravitonul***. Deoarece gravitonii transportă energie, ei înșiși trebuie să emită și să absoarbă gravitonii. Nu am văzut niciodată gravitoni reali individuali și nu le vom vedea niciodată. Cu toate acestea, interacțiunea dintre gravitonii virtuali duce la efecte observabile.La prima vedere, contribuția a trei gravitoni virtuali la interacțiunea gravitațională a doi nucleoni este prea mică pentru a fi detectată (vezi Fig. 7).

6.17. Precesia seculară a lui Mercur**. Totuși, această contribuție se manifestă în precesia periheliului orbitei lui Mercur. Precesia seculară a lui Mercur este descrisă de suma diagramelor gravitonului cu o singură buclă a atracției lui Mercur către Soare (Fig. 8).

6.18. Câștig pentru Mercur**. Raportul de masă dintre Mercur și Pământ este 0,055. Deci numărul de nucleoni din Mercur N M = 0,055 N E= 2·10 50 . Masa Soarelui DOMNIȘOARĂ= 2·10 33 g. Deci numărul de nucleoni din Soare N S = N A M S= 1,2·10 57 . Și numărul de diagrame care descriu interacțiunea gravitațională a nucleonilor din Mercur și Soare, N dM= 2,4·10 107 .

Dacă energia potențială de atracție a lui Mercur către Soare este egală cu U = GM S M M/r, apoi după luarea în considerare a corecției discutate pentru interacțiunea gravitonilor virtuali între ei, aceasta este înmulțită cu un factor de 1 - 3 GM S/r. Vedem că corecția la energia potențială este -3 G 2 M S 2 M M /r 2.

6.19. orbita lui Mercur**. Raza orbitală a lui Mercur A= 58·10 6 km. Perioada orbitală este de 88 de zile pământești. Excentricitatea orbitală e= 0,21. Datorită corecției discutate, în timpul unei revoluții, semiaxa majoră a orbitei se rotește printr-un unghi de 6π GM S/A(1 − e 2), adică aproximativ o zecime de secundă de arc, iar în 100 de ani pământeni se rotește cu 43 ".

6.20. Deplasare gravitațională Lamb**. Oricine a studiat electrodinamica cuantică va vedea imediat că diagrama din fig. 7 este similară cu o diagramă triunghiulară care descrie deplasarea de frecvență (energie) a nivelului 2 S 1/2 față de nivelul 2 P 1/2 în atomul de hidrogen (unde triunghiul este format dintr-un foton și două linii de electroni). Această schimbare a fost măsurată în 1947 de Lamb și Rutherford și sa dovedit a fi de 1060 MHz (1,06 GHz).

Această măsurătoare a marcat începutul reacție în lanț lucrări teoretice și experimentale care au dus la crearea electrodinamicii cuantice și a diagramelor Feynman. Frecvența de precesiune a lui Mercur este cu 25 de ordine de mărime mai mică.

6.21. Efect clasic sau cuantic?**. Este bine cunoscut faptul că schimbarea nivelului de energie Lamb este un efect pur cuantic, în timp ce precesia lui Mercur este un efect pur clasic. Cum pot fi descrise prin diagrame Feynman similare?

Pentru a răspunde la această întrebare, trebuie să ne amintim relația E = ħω și luați în considerare că transformarea Fourier în tranziția de la spațiul de impuls la spațiul de configurație din Sect. 6.8 conține e iqr / ħ . În plus, trebuie luat în considerare faptul că în triunghiul electromagnetic Lamb shift există o singură linie a unei particule fără masă (foton), iar celelalte două sunt propagatoare de electroni. Prin urmare, distanțele caracteristice din el sunt determinate de masa electronului (lungimea de undă Compton a electronului). Și în triunghiul de precesiune al lui Mercur există doi propagatori ai unei particule fără masă (graviton). Această împrejurare, datorită vârfului de trei gravitoni, duce la faptul că triunghiul gravitațional contribuie la distanțe incomparabil mai mari decât triunghiul electromagnetic. Această comparație demonstrează puterea teoriei cuantice a câmpului în metoda diagramelor Feynman, ceea ce face posibilă înțelegerea și calcularea cu ușurință a unei game largi de fenomene, atât cuantice, cât și clasice.

7. Interacțiune electromagnetică

7.1. Interacțiune electrică. Interacțiunea electrică a particulelor se realizează prin schimbul de fotoni virtuali, ca în Fig. 19.

Fotonii, ca și gravitonii, sunt, de asemenea, particule fără masă. Deci, interacțiunea electrică este și pe rază lungă:

De ce nu este la fel de universal ca gravitația?

7.2. Sarcini pozitive și negative.În primul rând, pentru că există sarcini electrice de două semne. Și în al doilea rând, pentru că există particule neutre care nu au incarcare electrica(neutron, neutrin, foton...). Particulele cu sarcini de semne opuse, precum un electron și un proton, se atrag reciproc. Particulele cu aceleași sarcini se resping reciproc. Ca rezultat, atomii și corpurile formate din ei sunt practic neutre din punct de vedere electric.

7.3. Particule neutre. Neutronul conține u-quarc cu sarcina +2 e/3 și doi d-quarc cu sarcină − e/3. Deci sarcina totală a neutronului este zero. (Reamintim că un proton conține doi u-quarc și unul d-quarc.) Particulele cu adevărat elementare care nu au sarcină electrică sunt fotonii, gravitonul, neutrinul, Z-bosonul și bosonul Higgs.

7.4. Potenţialul Coulombian. Energia potențială de atracție între un electron și un proton situat la distanță r unul de altul, egal

7.5. Interacțiunea magnetică. Interacțiunea magnetică nu este la fel de lungă ca interacțiunea electrică. cade ca 1/ r 3. Depinde nu numai de distanța dintre cei doi magneți, ci și de orientarea relativă a acestora. Un exemplu binecunoscut este interacțiunea unui ac de busolă cu câmpul dipol magnetic al Pământului. Energia potențială de interacțiune a doi dipoli magnetici μ 1 și μ 2 este egal

Unde n = r/r.

7.6. Interacțiune electromagnetică. Cea mai mare realizare a secolului al XIX-lea a fost descoperirea că forțele electrice și magnetice sunt două manifestări diferite ale aceleiași forțe electromagnetice. În 1821, M. Faraday (1791–1867) a investigat interacțiunea unui magnet și a unui conductor cu un curent. Un deceniu mai târziu, el a stabilit legile inducției electromagnetice atunci când doi conductori interacționează. În anii următori, el a introdus conceptul de câmp electromagnetic și a exprimat ideea naturii electromagnetice a luminii. În anii 1870, J. Maxwell (1831–1879) și-a dat seama că interacțiunile electromagnetice erau responsabile pentru o clasă largă de fenomene optice: emisia, transformarea și absorbția luminii și a scris ecuații care descriu câmpul electromagnetic. Curând G. Hertz (1857–1894) a descoperit undele radio, iar V. Roentgen (1845–1923) a descoperit razele X. Întreaga noastră civilizație se bazează pe manifestări ale interacțiunilor electromagnetice.

7.7. Combinând teoria relativității și mecanica cuantică. Cea mai importantă etapă în dezvoltarea fizicii a fost 1928, când a apărut un articol al lui P. Dirac (1902–1984), în care a propus o ecuație cuantică și relativistă pentru electron. Această ecuație conținea momentul magnetic al electronului și indica existența antiparticulei electronului - pozitronul, descoperit câțiva ani mai târziu. După aceasta, mecanica cuantică și teoria relativității au fost combinate în teoria cuantică a câmpurilor.

Faptul că interacțiunile electromagnetice sunt cauzate de emisia și absorbția fotonilor virtuali a devenit complet clar abia la mijlocul secolului al XX-lea odată cu apariția diagramelor Feynman, adică după ce conceptul de particule virtuale s-a format în mod clar.

8. Interacțiune slabă

8.1. Interacțiuni nucleare. La începutul secolului XX, atomul și nucleul său au fost descoperite și α -, β - Și γ - razele emise de nucleele radioactive. După cum sa dovedit, γ -razele sunt fotoni de foarte mare energie, β - razele sunt electroni de înaltă energie, α -razele - nuclee de heliu. Acest lucru a condus la descoperirea a două noi tipuri de interacțiuni - puternice și slabe. Spre deosebire de interacțiunile gravitaționale și electromagnetice, interacțiunile puternice și slabe sunt pe rază scurtă.

Ulterior, s-a descoperit că sunt responsabili pentru conversia hidrogenului în heliu în Soarele nostru și în alte stele.

8.2. Curenți încărcați*. Interacțiunea slabă este responsabilă pentru transformarea unui neutron într-un proton cu emisia unui electron și a unui antineutrin electronic. O clasă mare de procese de interacțiune slabă se bazează pe transformarea quarcilor de un tip în quarci de alt tip cu emisia (sau absorbția) de quarci virtuale. W-bosonii: u, c, t ↔ d, s, b. La fel și pentru emisie și absorbție W-bosonii, au loc tranziții între leptonii încărcați și neutrinii corespunzători:

e ↔ ν e, μ ↔ ν μ , τ ↔ ν τ . Tranzițiile de tip apar, de asemenea, în mod egal dˉu ↔ Wși eˉν e ↔ W. În toate aceste tranziţii implicând W-bosonii implică așa-numiții curenți încărcați care modifică încărcăturile leptonilor și quarcilor cu unul. Interacțiunea slabă a curenților încărcați este cu rază scurtă și este descrisă de potențialul Yukawa e−mWr/r, deci raza sa efectivă este r ≈ 1/mW.

8.3. Curenți neutri*. În anii 1970, au fost descoperite procese de interacțiune slabă între neutrini, electroni și nucleoni, cauzate de așa-numiții curenți neutri. În anii 1980, s-a stabilit experimental că interacțiunile curenților încărcați au loc prin schimb W-bosonii, iar interactiunea curentilor neutri - prin schimb Z- bozoni.

8.4. Încălcare P- Și C.P.-paritate*. În a doua jumătate a anilor 1950, a fost descoperită încălcarea parității spațiale Pși paritatea taxelor Cîn interacțiuni slabe. În 1964, au fost descoperite degradari slabe care încalcă conservarea C.P.-simetrie. În prezent, mecanismul de încălcare C.P.-simetria se studiaza in dezintegrarile mezonilor care contin b-quarci.

8.5. Oscilații neutrino*. În ultimele două decenii, atenția fizicienilor s-a concentrat asupra măsurătorilor efectuate la detectoarele de kilotone subterane din Kamioka (Japonia) și Sudbury (Canada). Aceste măsurători au arătat că între cele trei tipuri de neutrini ν e , ν μ , ν τ Tranzițiile reciproce (oscilațiile) au loc în vid. Natura acestor oscilații este în curs de clarificare.

8.6. Interacțiune electroslabă.În anii 1960, a fost formulată o teorie conform căreia interacțiunile electromagnetice și slabe sunt diverse manifestări interacțiune electroslabă unificată. Dacă ar exista o simetrie strictă electroslabă, atunci masele W- Și Z-bosonii ar fi egali cu zero ca masa fotonului.

8.7. Rupere de simetrie electroslabă.În modelul standard, bosonul Higgs rupe simetria electroslabă și astfel explică de ce fotonul este fără masă și bosonii slabi sunt masivi. De asemenea, dă mase leptonilor, quarcilor și lui însuși.

8.8. Ce trebuie să știi despre Higgs. Unul dintre obiectivele principale ale LHC Large Hadron Collider este descoperirea bosonului Higgs (numit simplu Higgs și denumit h sau H) și stabilirea ulterioară a proprietăților sale. În primul rând, măsurarea interacțiunilor sale cu W- Și Z-bosonii, cu fotoni, precum și auto-interacțiunile acestuia, adică studiul vârfurilor care conțin trei și patru Higg-uri: h 3 și h 4, și interacțiunile sale cu leptonii și cuarcii, în special cu quarcul top. În cadrul modelului standard, există predicții clare pentru toate aceste interacțiuni. Verificarea lor experimentală este de mare interes din punctul de vedere al căutării unei „noui fizici” dincolo de Modelul Standard.

8.9. Dacă nu există Higgs? Dacă se dovedește că în intervalul de masă de ordinul a câteva sute de GeV Higgs nu există, atunci aceasta va însemna că la energiile peste TeV se află o regiune nouă, complet necunoscută, în care interacțiunile. W- Și Z-bosonii devin puternici neperturbativ, adică nu pot fi descriși de teoria perturbațiilor. Cercetările în acest domeniu vor aduce multe surprize.

8.10. Ciocnitorii Lepton ai viitorului. Pentru a desfășura întregul program de cercetare, pe lângă LHC, poate fi necesar să se construiască colisionare de leptoni:

ILC (International Linear Collider) cu o energie de coliziune de 0,5 TeV,

sau CLIC (Compact Linear Collider) cu o energie de coliziune de 1 TeV,

sau MC (Muon Collider) cu o energie de coliziune de 3 TeV.

8.11. Ciocnitori liniari electron-pozitroni. ILC - International Linear Collider, care ciocnește electronii cu pozitronii, precum și fotonii cu fotonii. Decizia de a-l construi poate fi luată numai după ce devine clar dacă Higgs există și care este masa lui. Unul dintre șantierele ILC propuse se află în vecinătatea orașului Dubna. CLIC - Compact Linear Electron-Positron Collider. Proiectul este dezvoltat la CERN.

8.12. Ciocnitorul de muoni. MS - Ciocnitorul de muoni a fost conceput pentru prima dată de G. I. Budker (1918–1977). În 1999, la San Francisco a avut loc cea de-a cincea Conferință Internațională „Potențialul fizic și dezvoltarea ciocnitorilor de muoni și a fabricilor de neutrini”. Proiectul MS este în prezent în curs de dezvoltare la Laboratorul Național Fermi și ar putea fi implementat în 20 de ani.

9. Interacțiune puternică

9.1. Gluoni și quarcuri. Forța puternică menține nucleonii (protoni și neutroni) în interiorul nucleului. Se bazează pe interacțiunea gluonilor cu quarcii și pe interacțiunea gluonilor cu gluonii. Auto-interacțiunea gluonilor este cea care duce la faptul că, în ciuda faptului că masa gluonului este zero, la fel cum masele fotonului și gravitonului sunt egale cu zero, schimbul de gluoni nu duce la gluon lung. -interacțiunea gamă, similară cu fotonul și gravitonul. Mai mult, duce la absența gluonilor și quarcilor liberi. Acest lucru se datorează faptului că suma schimburilor de un gluon este înlocuită cu un tub sau fir de gluon. Interacțiunea nucleonilor din nucleu este similară cu forțele van der Waals dintre atomii neutri.

9.2. Închidere și libertate asimptotică. Fenomenul gluonilor și quarcilor care nu scapă din hadroni se numește izolare. Dezavantajul dinamicii care duce la izolare este că, la distanțe foarte mici, adânc în interiorul hadronilor, interacțiunea dintre gluoni și quarci se degradează treptat. Quarcii par să devină liberi la distanțe scurte. Acest fenomen se numește libertate asimptotică.

9.3. Culorile quark. Fenomenul de izolare este o consecință a faptului că fiecare dintre cei șase quarci există ca sub forma a trei varietăți „culoare”. Quarcii sunt de obicei „colorați” în galben, albastru și roșu. Antichitățile sunt pictate în culori suplimentare: violet, portocaliu, verde. Toate aceste culori reprezintă sarcinile particulare ale quarcilor - „analogi multidimensionali” ai sarcinii electrice, responsabili pentru interacțiuni puternice. Desigur, nu există nicio legătură, în afară de una metaforică, între culorile quarcilor și culorile optice obișnuite.

9.4. Culori gluon. Familia de gluoni colorați este și mai numeroasă: sunt opt ​​dintre ei, dintre care două sunt identice cu antiparticulele lor, iar restul de șase nu sunt. Interacțiunile sarcinilor de culoare sunt descrise de cromodinamica cuantică și determină proprietățile protonului, neutronului și a tuturor nuclee atomiceși proprietățile tuturor hadronilor. Faptul că gluonii poartă sarcini de culoare duce la fenomenul de izolare a gluonilor și quarcilor, ceea ce înseamnă că gluonii și quarcii colorați nu pot scăpa din hadroni. Forțele nucleareîntre hadronii incolori (albi) sunt ecouri slabe ale interacțiunilor puternice de culoare în interiorul hadronilor. Acest lucru este similar cu micimea legăturilor moleculare în comparație cu cele intraatomice.

9.5. Masele de hadron. Masele de hadroni în general și de nucleoni în special sunt determinate de autoacțiunea gluonului. Astfel, masa întregii materii vizibile, care reprezintă 4–5% din energia Universului, se datorează tocmai autoacțiunii gluonilor.

10. Model standard și nu numai

10.1. 18 particule de model standard. Toate particulele fundamentale cunoscute se împart în mod natural în trei grupe:

6 leptoni(învârtire 1/2):
3 neutrini: ν e, ν μ , ν τ ;
3 leptoni încărcați: e, μ , τ ;
6 quarci(învârtire 1/2):
u,c, t,
d, s, b;
6 bosoni:
g̃ - graviton (spin 2),
γ , W, Z, g- gluoni (spin 1),
h- Higgs (rotire 0).

10.2. Dincolo de modelul standard. 96% din energia din Univers se află în afara Modelului Standard, așteaptă să fie descoperită și studiată. Există mai multe ipoteze de bază despre cum ar putea arăta fizică nouă(A se vedea paragrafele 10.3–10.6 de mai jos).

10.3. Marea Unire. Un număr mare de lucrări, în mare parte teoretice, sunt dedicate unificării interacțiunilor puternice și electroslabe. Majoritatea dintre ei presupun că are loc la energii de ordinul 10 16 GeV. O astfel de uniune ar trebui să ducă la dezintegrarea protonilor.

10.4. Particule supersimetrice. Conform ideii de supersimetrie, care a apărut pentru prima dată la Institutul de Fizică Lebedev, fiecare particulă „noastre” are un superpartener al cărui spin diferă cu 1/2: 6 squarks și 6 sleptoni cu spin 0, higgsino, photino, vin și zino cu spin 1/2, gravitino cu spin 3/2. Masele acestor superparteneri trebuie să fie semnificativ mai mari decât cele ale particulelor noastre. Altfel ar fi fost deschise de mult. Unii dintre superparteneri pot fi descoperiți atunci când Large Hadron Collider devine operațional.

10.5. Super șiruri. Ipoteza supersimetriei este dezvoltată de ipoteza existenței unor superstringuri care trăiesc la distanțe foarte scurte de ordinul a 10 −33 cm și energii corespunzătoare de 10 19 GeV. Mulți fizicieni teoreticieni speră că pe baza ideilor despre superstringuri vor putea construi o teorie unificată a tuturor interacțiunilor care nu conține parametri liberi.

10.6. Particule de oglindă. Conform ideii de materie oglindă, care a apărut pentru prima dată la ITEP, fiecare dintre particulele noastre are un geamăn oglindă și există o lume oglindă care este doar foarte slab conectată cu lumea noastră.

10.7. Materie întunecată. Doar 4-5% din energia totală din Univers există ca masă de materie obișnuită. Aproximativ 20% din energia universului este conținută în așa-numitul materie întunecată, despre care se crede că constă din superparticule, sau particule în oglindă sau alte particule necunoscute. Dacă particulele de materie întunecată sunt mult mai grele decât particulele obișnuite și dacă, atunci când se ciocnesc unele cu altele în spațiu, se anihilează în fotoni obișnuiți, atunci acești fotoni de înaltă energie pot fi detectați de detectoare speciali în spațiu și pe Pământ. Aflarea naturii materiei întunecate este una dintre sarcinile principale ale fizicii.

10.8. Energie întunecată. Dar majoritatea covârșitoare a energiei Universului (aproximativ 75%) se datorează așa-numitei energie întunecată. Este „vărsat” prin vid și împinge grupuri de galaxii în afară. Natura sa este încă neclară.

11. Particule elementare în Rusia și în lume

11.1. Decretul președintelui Federației Ruse. La 30 septembrie 2009, Decretul președintelui Federației Ruse „Cu privire la măsuri suplimentare de implementare a unui proiect-pilot pentru crearea unui centru de cercetare„Institutul Kurchatov” Decretul prevede participarea la proiect a următoarelor organizații: Institutul de Fizică Nucleară din Sankt Petersburg, Institutul de Fizică a Energiei Înalte și Institutul de Fizică Teoretică și Experimentală. Decretul prevede, de asemenea, „includerea instituției specificate, ca cea mai semnificativă instituție științifică, în structura de cheltuieli departamentale. buget federalîn calitate de administrator principal al fondurilor bugetare”. Acest Decret poate contribui la revenirea fizicii particulelor elementare la numărul de domenii prioritare pentru dezvoltarea științei în țara noastră.

11.2. Audierile Congresului SUA 1. La 1 octombrie 2009, a avut loc o audiere în fața Subcomisiei pentru energie și mediu inconjurator Comisia pentru Știință și Tehnologie a Camerei Reprezentanților SUA pe tema „Investigații asupra naturii materiei, energiei, spațiului și timpului”. Creditul Departamentului de Energie din 2009 pentru acest program este de 795,7 milioane USD. Profesorul de la Universitatea Harvard, Lisa Randall, a prezentat puncte de vedere despre materie, energie și originea Universului din punctul de vedere al viitoarei teorii a corzilor. Directorul Laboratorului Național Fermi (Batavia) Pierre Oddone a vorbit despre starea fizicii particulelor în SUA și, în special, despre finalizarea viitoare a Tevatron și începutul colaborare FNAL și laboratorul subteran DUSEL pentru studierea proprietăților neutrinilor și a proceselor rare. El a subliniat importanța participării fizicienilor americani la proiectele de fizică a energiei înalte din Europa (LHC), Japonia (JPARC), China (PERC) și proiectul spațial internațional (GLAST, numit recent după Fermi).

11.3. Audierile Congresului SUA 2. Directorul Jefferson National Laboratory, Hugh Montgomery, a vorbit despre contribuțiile laboratorului la fizica nucleară, tehnologia acceleratoarelor și programe educaționale. Directorul Diviziei de Știință a Fizicii Energiei înalte din cadrul Departamentului de Energie, Dennis Kovar, a vorbit despre trei domenii principale ale fizicii energiilor înalte:

1) cercetare acceleratoare la energii maxime,

2) studii acceleratoare la intensități maxime,

3) explorarea spațială la sol și prin satelit pentru a clarifica natura materiei întunecate și a energiei întunecate,

și trei direcții principale în fizica nucleară:

1) studiul interacțiunilor puternice dintre quarci și gluoni,

2) studiul modului în care s-au format nucleele atomice din protoni și neutroni,

3) studiul interacțiuni slabe implicând neutrini.

12. Despre știința fundamentală

12.1. Ce este știința fundamentală? Din textul de mai sus este clar că eu, la fel ca majoritatea oamenilor de știință, numesc știință fundamentală acea parte a științei care stabilește cele mai fundamentale legi ale naturii. Aceste legi se află la baza piramidei științei sau a etajelor sale individuale. Ele determină dezvoltarea pe termen lung a civilizației. Există totuși oameni care numesc știință fundamentală acele ramuri ale științei care au cel mai mare impact direct asupra realizărilor de moment în dezvoltarea civilizației. Personal cred că aceste secțiuni și domenii sunt mai bine numite știință aplicată.

12.2. Rădăcini și fructe. Dacă stiinta de baza poate fi comparat cu rădăcinile unui copac, apoi aplicat poate fi comparat cu fructele acestuia. Descoperirile tehnologice majore precum telefoanele mobile sau comunicațiile prin fibră optică sunt roadele științei.

12.3. A. I. Herzen despre știință.În 1845, Alexander Ivanovich Herzen (1812–1870) a publicat remarcabilele „Scrisori despre studiul naturii” în revista Otechestvennye zapiski. La sfârșitul primei sale scrisori, el a scris: „Știința pare dificilă nu pentru că este cu adevărat dificilă, ci pentru că nu poți ajunge la simplitatea ei altfel decât străpungând întunericul unor concepte gata făcute care te împiedică să vezi direct. Să știe cei care ies în față că întregul arsenal de unelte ruginite și fără valoare pe care l-am moștenit de la scolastică este fără valoare, că este necesar să sacrificăm concepțiile formate în afara științei, că fără a arunca totul la gunoi. jumătate de minciună, cu care pentru claritate se îmbracă jumătăţi de adevăruri„Nu poți intra în știință, nu poți ajunge la întregul adevăr.”

12.4. Despre reducerea programelor școlare. Programele moderne de fizică de la școală pot include foarte bine stăpânirea activă a elementelor teoriei particulelor elementare, teoria relativității și mecanica cuantică, dacă reduc acele secțiuni care sunt în principal descriptive și măresc „erudiția” copilului, mai degrabă decât înțelegerea lumii. în jurul lor și capacitatea de a trăi și de a crea.

12.5. Concluzie. Ar fi corect ca Prezidiul Academiei Ruse de Științe să noteze importanța familiarizării timpurii a tinerilor cu o viziune asupra lumii bazată pe realizările teoriei relativității și mecanicii cuantice și să instruiască comisiile Prezidiului Rusiei. Academia de Științe pe manuale (prezidată de vicepreședintele V.V. Kozlov) și pe educație (președintă de vicepreședintele -președintele V. A. Sadovnichy) pentru a pregăti propuneri pentru îmbunătățirea predării fizicii fundamentale moderne în școlile secundare și superioare.

Helen Czerski

Fizician, oceanograf, prezentator de programe de popularizare la BBC.

Când vine vorba de fizică, ne imaginăm niște formule, ceva ciudat și de neînțeles, inutil pentru un om obișnuit. Poate că am auzit ceva despre mecanica cuantică și cosmologie. Dar între acești doi poli se află tot ceea ce ne alcătuiește viața de zi cu zi: planete și sandvișuri, nori și vulcani, bule și instrumente muzicale. Și toate sunt guvernate de un număr relativ mic de legi fizice.

Putem respecta în mod constant aceste legi în acțiune. Luați, de exemplu, două ouă - crude și fierte - și rotește-le, apoi oprește-te. Oul fiert va rămâne nemișcat, cel crud va începe din nou să se rotească. Acest lucru se datorează faptului că ai oprit doar coaja, dar lichidul din interior continuă să se rotească.

Aceasta este o demonstrație clară a legii conservării momentului unghiular. Într-un mod simplificat, poate fi formulat astfel: după ce a început să se rotească în jurul unei axe constante, sistemul va continua să se rotească până când ceva îl oprește. Aceasta este una dintre legile fundamentale ale Universului.

Este util nu numai atunci când trebuie să deosebești un ou fiert de unul crud. Poate fi folosit și pentru a explica modul în care telescopul spațial Hubble, fără niciun suport în spațiu, își îndreaptă lentila către o anumită zonă a cerului. Are doar giroscoape rotative în interior, care se comportă în esență la fel ca un ou crud. Telescopul însuși se rotește în jurul lor și își schimbă astfel poziția. Se pare că legea, pe care o putem testa în bucătăria noastră, explică și structura uneia dintre cele mai remarcabile tehnologii ale omenirii.

Cunoscând legile de bază care ne guvernează viața de zi cu zi, încetăm să ne simțim neputincioși.

Pentru a înțelege cum funcționează lumea din jurul nostru, trebuie mai întâi să înțelegem elementele de bază -. Trebuie să înțelegem că fizica nu este doar despre oameni de știință excentrici în laboratoare sau formule complexe. Este chiar în fața noastră, accesibilă tuturor.

De unde să începi, ai putea crede. Cu siguranță ai observat ceva ciudat sau de neînțeles, dar în loc să te gândești la asta, ți-ai spus că ești adult și nu ai timp pentru asta. Chersky sfătuiește să nu lase astfel de lucruri deoparte, ci să înceapă cu ele.

Daca nu vrei sa astepti sa se intample ceva interesant, pune stafide in sifon si vezi ce se intampla. Privește cum se usucă cafeaua vărsată. Atingeți marginea ceștii cu o lingură și ascultați sunetul. În cele din urmă, încercați să aruncați sandvișul fără ca acesta să cadă cu fața în jos.

Oamenii de știință de pe planeta Pământ folosesc o mulțime de instrumente încercând să descrie modul în care funcționează natura în general. Că ajung la legi și teorii. Care este diferența? O lege științifică poate fi adesea redusă la o afirmație matematică, cum ar fi E = mc²; această afirmație se bazează pe date empirice și adevărul ei este de obicei limitat la un anumit set de condiții. În cazul lui E = mc² - viteza luminii în vid.

O teorie științifică caută adesea să sintetizeze un set de fapte sau observații despre fenomene specifice. Și în general (dar nu întotdeauna) apare o afirmație clară și testabilă cu privire la modul în care funcționează natura. Nu este deloc necesar să reduceți teorie științifică la ecuație, dar reprezintă de fapt ceva fundamental despre funcționarea naturii.

Atât legile, cât și teoriile depind de elemente de bază metodă științifică, cum ar fi crearea de ipoteze, efectuarea de experimente, găsirea (sau negăsirea) de date empirice și tragerea de concluzii. La urma urmei, oamenii de știință trebuie să fie capabili să reproducă rezultatele dacă un experiment urmează să devină baza unei legi sau teorii general acceptate.

În acest articol, ne vom uita la zece legi și teorii științifice pe care le poți peria chiar dacă nu folosești un microscop electronic cu scanare atât de des, de exemplu. Să începem cu un bang și să terminăm cu incertitudine.

Dacă există o teorie științifică care merită cunoscută, lăsați-o să explice cum universul a atins starea actuală (sau nu a atins-o). Pe baza cercetărilor efectuate de Edwin Hubble, Georges Lemaitre și Albert Einstein, teoria Big Bang-ului postulează că universul a început acum 14 miliarde de ani cu o expansiune masivă. La un moment dat, universul a fost cuprins la un moment dat și a cuprins toată materia universului actual. Această mișcare continuă până în zilele noastre, iar universul însuși se extinde constant.

Teoria Big Bang a câștigat un sprijin larg în cercurile științifice după ce Arno Penzias și Robert Wilson au descoperit fundalul cosmic cu microunde în 1965. Folosind radiotelescoape, doi astronomi au descoperit zgomotul cosmic, sau static, care nu se disipă în timp. În colaborare cu cercetătorul de la Princeton Robert Dicke, perechea de oameni de știință a confirmat ipoteza lui Dicke că originalul Big bang lăsate în urmă radiații de nivel scăzut care pot fi detectate în tot Universul.

Legea lui Hubble a expansiunii cosmice

Să-l ținem pe Edwin Hubble pentru o secundă. În timp ce Marea Depresiune a făcut furori în anii 1920, Hubble a fost pionier în cercetarea astronomică. Nu doar că a demonstrat că mai existau și alte galaxii în afară Calea lactee, dar a descoperit și că aceste galaxii se îndepărtează de ale noastre, o mișcare pe care a numit-o recesiune.

Pentru a cuantifica viteza acestei mișcări galactice, Hubble a propus legea expansiunii cosmice, cunoscută și sub numele de legea lui Hubble. Ecuația arată astfel: viteză = H0 x distanță. Viteza reprezintă viteza cu care galaxiile se îndepărtează; H0 este constanta Hubble sau un parametru care indică viteza cu care universul se extinde; distanța este distanța dintre o galaxie și cea cu care se face comparația.

Constanta Hubble a fost calculată la sensuri diferite de ceva timp, dar în prezent este înghețat la 70 km/s per megaparsec. Nu este atât de important pentru noi. Important este că legea oferă o modalitate convenabilă de a măsura viteza unei galaxii în raport cu a noastră. Și ceea ce este, de asemenea, important este că legea a stabilit că Universul este format din multe galaxii, a căror mișcare poate fi urmărită până la Big Bang.

Legile lui Kepler ale mișcării planetare

Timp de secole, oamenii de știință s-au luptat între ei și liderii religioși pentru orbitele planetelor, mai ales dacă acestea au orbit în jurul Soarelui. În secolul al XVI-lea, Copernic a prezentat conceptul său controversat de heliocentric sistem solar, în care planetele orbitează mai degrabă Soarele decât Pământul. Cu toate acestea, numai cu Johannes Kepler, care a construit pe lucrarea lui Tycho Brahe și a altor astronomi, o clară baza stiintifica pentru mișcarea planetelor.

Cele trei legi ale mișcării planetare ale lui Kepler, dezvoltate la începutul secolului al XVII-lea, descriu mișcarea planetelor în jurul Soarelui. Prima lege, numită uneori legea orbitelor, spune că planetele se învârt în jurul Soarelui pe o orbită eliptică. A doua lege, legea zonelor, spune că o linie care leagă o planetă de soare formează zone egale la intervale de timp egale. Cu alte cuvinte, dacă măsurați aria creată de o linie trasată de la Pământ la Soare și urmăriți mișcarea Pământului timp de 30 de zile, aria va fi aceeași, indiferent de poziția Pământului față de origine.

A treia lege, legea perioadelor, ne permite să stabilim o relație clară între perioada orbitală a planetei și distanța până la Soare. Datorită acestei legi, știm că o planetă care este relativ aproape de Soare, precum Venus, are o perioadă orbitală mult mai scurtă decât planetele îndepărtate precum Neptun.

Legea universală a gravitației

Acest lucru poate fi echivalent pentru cursul de astăzi, dar acum mai bine de 300 de ani Sir Isaac Newton a propus o idee revoluționară: oricare două obiecte, indiferent de masa lor, exercită o atracție gravitațională unul asupra celuilalt. Această lege este reprezentată de o ecuație pe care mulți școlari o întâlnesc la liceu la fizică și matematică.

F = G × [(m1m2)/r²]

F este forta gravitationalaîntre două obiecte, măsurate în newtoni. M1 și M2 sunt masele celor două obiecte, în timp ce r este distanța dintre ele. G este constanta gravitațională, calculată în prezent ca 6,67384(80)·10−11 sau N·m2·kg−2.

Avantajul legii universale a gravitației este că vă permite să calculați atracția gravitațională dintre oricare două obiecte. Această abilitate este extrem de utilă atunci când oamenii de știință, de exemplu, lansează un satelit pe orbită sau determină cursul Lunii.

legile lui Newton

Din moment ce vorbim despre unul dintre cei mai mari oameni de știință care au trăit vreodată pe Pământ, să vorbim despre celelalte legi celebre ale lui Newton. Cele trei legi ale mișcării ale sale formează o parte esențială a fizicii moderne. Și ca multe alte legi ale fizicii, ele sunt elegante în simplitatea lor.

Prima dintre cele trei legi spune că un obiect în mișcare rămâne în mișcare dacă nu este acționat de o forță externă. Pentru o minge care se rostogolește pe podea, forța externă ar putea fi frecarea dintre minge și podea, sau un băiat care lovește mingea într-o direcție diferită.

A doua lege stabilește relația dintre masa unui obiect (m) și accelerația acestuia (a) sub forma ecuației F = m x a. F reprezintă forța, măsurată în newtoni. Este, de asemenea, un vector, adică are o componentă direcțională. Datorită accelerației, o minge care se rostogolește pe podea are un vector special în direcția mișcării sale, iar acest lucru este luat în considerare la calcularea forței.

A treia lege este destul de semnificativă și ar trebui să vă fie familiară: pentru fiecare acțiune există o reacție egală și opusă. Adică, pentru fiecare forță aplicată unui obiect de pe suprafață, obiectul este respins cu aceeași forță.

Legile termodinamicii

Fizicianul și scriitorul britanic C. P. Snow a spus odată că un non-om de știință care nu cunoștea a doua lege a termodinamicii era ca un om de știință care nu l-a citit niciodată pe Shakespeare. Declarația de acum faimoasă a lui Snow a subliniat importanța termodinamicii și nevoia ca chiar și oamenii neștiințifici să o cunoască.

Termodinamica este știința modului în care funcționează energia într-un sistem, fie el un motor sau nucleul Pământului. Poate fi redus la câteva legi de bază, pe care Snow le-a subliniat după cum urmează:

  • Nu poți câștiga.
  • Nu vei evita pierderile.
  • Nu poți părăsi jocul.

Să înțelegem puțin asta. Spunând că nu poți câștiga, Snow a vrut să spună că, deoarece materia și energia sunt conservate, nu poți câștiga una fără să o pierzi pe cealaltă (adică E=mc²). Acest lucru înseamnă, de asemenea, că trebuie să furnizați căldură pentru a porni motorul, dar în absența unui sistem perfect închis, o parte de căldură va scăpa inevitabil în lumea deschisă, ceea ce duce la a doua lege.

A doua lege - pierderile sunt inevitabile - înseamnă că, din cauza entropiei în creștere, nu puteți reveni la precedenta stare energetică. Energia concentrată într-un singur loc va tinde întotdeauna către locuri cu concentrație mai mică.

În cele din urmă, a treia lege - nu poți părăsi jocul - se referă la cea mai scăzută temperatură posibilă teoretic - minus 273,15 grade Celsius. Când sistemul ajunge la zero absolut, mișcarea moleculelor se oprește, ceea ce înseamnă că entropia va atinge cea mai mică valoare și nici măcar nu va exista energie cinetică. Dar în lumea reala Este imposibil să ajungi la zero absolut - poți doar să te apropii foarte mult de el.

forța lui Arhimede

După ce vechiul grec Arhimede și-a descoperit principiul de flotabilitate, el ar fi strigat „Eureka!” (L-am găsit!) și a fugit gol prin Syracuse. Asa spune legenda. Descoperirea a fost atât de importantă. Legenda mai spune că Arhimede a descoperit principiul când a observat că apa dintr-o cadă se ridica atunci când un corp era scufundat în ea.

Conform principiului de flotabilitate al lui Arhimede, forța care acționează asupra unui obiect scufundat sau parțial scufundat este egală cu masa fluidului pe care o deplasează obiectul. Acest principiu are o importanță vitalăîn calculele de densitate, precum și în proiectarea submarinelor și a altor nave oceanice.

Evoluție și selecție naturală

Acum că am stabilit câteva dintre conceptele de bază despre unde a început universul și cum legi fizice ne afectează viața de zi cu zi, să aruncăm o privire asupra formei umane și să aflăm cum am ajuns în acest punct. Potrivit majorității oamenilor de știință, toată viața de pe Pământ are un strămoș comun. Dar pentru ca o diferență atât de mare să apară între toate organismele vii, unele dintre ele au trebuit să se transforme într-o specie separată.

În sens general, această diferențiere s-a produs prin procesul de evoluție. Populațiile de organisme și trăsăturile lor au trecut prin mecanisme precum mutațiile. Cei cu trăsături care erau mai avantajoase pentru supraviețuire, cum ar fi broaștele maro, care sunt excelente la camuflarea în mlaștină, au fost selectați în mod natural pentru supraviețuire. De aici a apărut termenul selecție naturală.

Puteți înmulți aceste două teorii de multe, de multe ori și asta este de fapt ceea ce a făcut Darwin în secolul al XIX-lea. Evoluția și selecția naturală explică diversitatea enormă a vieții de pe Pământ.

Teoria generală a relativității

Teoria generală a relativității a lui Albert Einstein a fost și rămâne o descoperire majoră care a schimbat pentru totdeauna viziunea noastră asupra universului. Descoperirea majoră a lui Einstein a fost afirmația că spațiul și timpul nu sunt absolute și că gravitația nu este pur și simplu o forță aplicată unui obiect sau unei mase. Mai degrabă, gravitația se datorează faptului că masa îndoaie spațiul și timpul însuși (spațiu-timp).

Pentru a vă gândi la acest lucru, imaginați-vă că conduceți peste Pământ în linie dreaptă în direcția est, de exemplu, din emisfera nordică. După un timp, dacă cineva dorește să îți determine cu exactitate locația, vei fi mult mai la sud și la est de poziția ta inițială. Acest lucru se datorează faptului că Pământul este curbat. Pentru a conduce direct spre est, trebuie să țineți cont de forma Pământului și să conduceți la un unghi ușor spre nord. Comparați o minge rotundă și o foaie de hârtie.

Spațiul este aproape același lucru. De exemplu, pentru pasagerii unei rachete care zboară în jurul Pământului va fi evident că zboară în linie dreaptă prin spațiu. Dar, în realitate, spațiu-timpul din jurul lor este îndoit de gravitația Pământului, determinându-i să se deplaseze și să rămână pe orbita Pământului.

Teoria lui Einstein a avut un impact uriaș asupra viitorului astrofizicii și cosmologiei. Ea a explicat o anomalie mică și neașteptată pe orbita lui Mercur, a arătat cum se îndoaie lumina stelelor și a așezat baza teoretica pentru găuri negre.

Principiul incertitudinii Heisenberg

Expansiunea relativității a lui Einstein ne-a învățat mai multe despre cum funcționează universul și ne-a ajutat să punem bazele pentru fizică cuantică, ceea ce a dus la o jenă complet neașteptată a științei teoretice. În 1927, realizarea că toate legile universului sunt flexibile într-un context dat a dus la descoperirea uimitoare a omului de știință german Werner Heisenberg.

Postulând principiul său de incertitudine, Heisenberg și-a dat seama că era imposibil de știut simultan nivel inalt exact două proprietăți ale unei particule. Poți cunoaște poziția unui electron cu un grad ridicat de precizie, dar nu și impulsul său și invers.

Niels Bohr a făcut mai târziu o descoperire care a ajutat la explicarea principiului lui Heisenberg. Bohr a descoperit că electronul are atât calitățile unei particule, cât și ale unei unde. Conceptul a devenit cunoscut sub numele de dualitate val-particulă și a stat la baza fizicii cuantice. Prin urmare, atunci când măsurăm poziția unui electron, îl definim ca o particulă într-un anumit punct din spațiu cu o lungime de undă nedefinită. Când măsurăm un impuls, tratăm electronul ca pe o undă, ceea ce înseamnă că putem cunoaște amplitudinea lungimii lui, dar nu și poziția sa.